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優(yōu)化纖維素酶產(chǎn)生菌培養(yǎng)條件的方法

如何快速地找出主要因素并進(jìn)行優(yōu)化并非易事，通常優(yōu)化發(fā)酵培養(yǎng)基的方法為單次單因子法、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法以及響應(yīng)面分析法。

1.單次單園子法

單次單因子法的基本原理是保持培養(yǎng)基中其他組分的濃度不變，每次只研究個(gè)組分的不同水平對(duì)發(fā)酵性能的影響。該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、容易，結(jié)果很明了，培養(yǎng)基組分的個(gè)體效應(yīng)從圖表上很明顯地看出來，而不需要統(tǒng)計(jì)分析。主要缺點(diǎn)：忽略了組分間的交互作用，可能會(huì)丟失適宜的條件；不能考察因素的主次關(guān)系；當(dāng)考察的試驗(yàn)因素較多時(shí)，需要大的試驗(yàn)和較長(zhǎng)的試驗(yàn)周期。但由于它的容易和方便，單次單因子法直以來都是培養(yǎng)基組分優(yōu)化的流行的選擇中的員。

對(duì)于纖維素酶的產(chǎn)生條件的優(yōu)化，單次單因子法主要用于重要的碳、氮源的優(yōu)化，為后期的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法、響應(yīng)面分析法提供基礎(chǔ)。

2.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法

正交設(shè)計(jì)是從“均勻分散、整齊可比"的角度出發(fā)，以拉丁方理論和群論為基礎(chǔ)，用正交表來安排少量的試驗(yàn)，從多個(gè)因素中分析出哪些是主要的，哪些是次要的，以及它們對(duì)試驗(yàn)的影響規(guī)律，從而找出較優(yōu)的工藝條件。李榮杰（2009）利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法優(yōu)化了里氏木霉的培養(yǎng)條件，使其產(chǎn)纖維素酶活力達(dá)到15.6U/mL，比出發(fā)菌株提高了1倍。

朱振（2009）利用該法優(yōu)化了真菌RCEF4093的發(fā)酵培養(yǎng)基，提高了其產(chǎn)纖維素酶的活力，該方法大致流程如下。

（1）明確試驗(yàn)?zāi)康?，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)有時(shí)只有個(gè)，有時(shí)可能有多個(gè)。當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)多于兩個(gè)時(shí)，為多指標(biāo)試驗(yàn)。

（2）挑透因素

影響試驗(yàn)指標(biāo)的因素很多，由于試驗(yàn)條件的限制，不可能逐或全面地加以研究，因此要根據(jù)已有的專業(yè)知識(shí)及有關(guān)文獻(xiàn)資料和實(shí)際情況，固定些因素于佳水平，排除些次要的因素而挑選些主要因素。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法正是安排多因素試驗(yàn)的有利工具。當(dāng)因素較多時(shí)，除非事先根據(jù)專業(yè)知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)等，能肯定某因素作用很小而不選取外，對(duì)于凡是可能起作用或情況不明或看法不的因素，都應(yīng)當(dāng)選入進(jìn)行考察。

（3）確定各因素的水平

因素的水平分為定性與定量?jī)煞N，水平的確定包含兩個(gè)含義，即水平個(gè)數(shù)的確定和各個(gè)水平數(shù)量的確定。對(duì)于定性因素，要根據(jù)試驗(yàn)具體內(nèi)容，賦予該因素每個(gè)水平以具體含義。定量因素的量大多是連續(xù)變化的，這就要求試驗(yàn)者根據(jù)相關(guān)知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)、文獻(xiàn)資料先確定該因素的數(shù)量變化范圍，之后根據(jù)試驗(yàn)的目的及性質(zhì)，結(jié)合正交表的選用來確定因素的水平數(shù)和各水平的取值。每個(gè)因案的水平數(shù)可以相等也可以不等，重要因素或特別希望詳細(xì)了解的因素，其水平可多些，其他因素的水平可以少些。如果沒有特別重要的因素需要詳細(xì)考察的話，要盡可能使因素的水平數(shù)相等，以便減小試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理工作量。

（4）創(chuàng)定因素水平表

根據(jù)上面選取的因素及因素的水平的取值，制定張反映試驗(yàn)所要考察研究的因素及各因素的水平的“因素水平綜合表"。該表在制定過程中，每個(gè)因素用哪個(gè)水平號(hào)碼，對(duì)應(yīng)于哪個(gè)量可以隨機(jī)地任意確定。好是打亂次序安排，但經(jīng)選定之后，試驗(yàn)過程中就不能再改變了。

（5）選擇合適的正交表

常用的正交表較多，有幾十個(gè)，可以靈活選擇。應(yīng)該注意的是，選擇正交表與選擇因素及其水平是相互影響的，必須綜合考慮，而不能將任何個(gè)問題孤立出來。選擇正交表時(shí)般需考慮以下兩個(gè)方面的情況。

①所考察因素及其水平的多少。

選用的正交表，要能容納所研究的因素?cái)?shù)和因素的水平數(shù)，在這前提下應(yīng)選擇試驗(yàn)次數(shù)少的正交表.

②考志各因素之間的交互作用。

般說來，兩因素的交互作用通常都有可能存在，而三因素的交互作用在通常情況下可以忽略不計(jì)。

（6）確定試驗(yàn)方案

根據(jù)制定的因素水平表和選定的正交表安排試驗(yàn)時(shí)，般原則如下。

①如果各因素之間無交互作用，按照因素水平表中固定下來的因素次序，順序地放到正交表的縱列上，每列放種因素。

②如果不能排除因素之間的交互作用，則應(yīng)避免將因素的主效應(yīng)安排在正交表的交互效應(yīng)列內(nèi)，以妨礙對(duì)因素主效應(yīng)的判斷。

③把各因素的水平按照因素水平表中所確定的關(guān)系，對(duì)號(hào)入座后，試驗(yàn)方案隨即確定。

（7）正交試驗(yàn)結(jié)果的分析

正交試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析與正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析相比，具有計(jì)算量小、計(jì)算簡(jiǎn)單、分析速度快、目了然等特點(diǎn)，但分析結(jié)果的精確性與嚴(yán)密性相對(duì)于方差分析來說稍差。直觀分析主要可以解決以下兩個(gè)問題。

①各因素對(duì)指標(biāo)的影響誰主誰次。

差的大小直接反映各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的變化幅度，差大表明該因素的影響大，是主要因素；反之，差小，表明該因素的作用不大，屬于次因素。因此，可以通過比較各個(gè)因素的差大小決定因素的主次順序。但因素影響的顯著性需通過方差分析確定。

②求佳水平組合。

該問題歸結(jié)為找到各因素分別取何水平時(shí)，所得到的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)好。選取因素的水平是與要求的指標(biāo)有關(guān)的。如要求的指標(biāo)越大越好，應(yīng)該取使指標(biāo)增大的水平；反之，如要求的指標(biāo)越小越好，則取其中城小的那個(gè)水平。把各因素的好水平組合起來就是城佳水平組合。但是，實(shí)際上選取佳水平組合時(shí)，還要考慮因素的主次，以便在同樣滿足指標(biāo)要求的情況下，對(duì)于些比較次要的因素按照優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗的原則選取水平，得到更符合生產(chǎn)實(shí)際要求的較好的生產(chǎn)條件。

3.響應(yīng)面分析法

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法不能在給出的整個(gè)區(qū)域上找到因素和響應(yīng)值之間的個(gè)明確的函數(shù)表達(dá)式，即回歸方程，從而無法找到整個(gè)區(qū)域上因素的佳組合和響應(yīng)值的優(yōu)值。而且對(duì)于多因素多水平試驗(yàn)，仍需要做大量的試驗(yàn)，實(shí)施起來比較困難。響應(yīng)面分析方法則能研究幾種因素間的交互作用，試驗(yàn)次數(shù)少、周期短，求得的回歸方程精度高，并能夠通過求得的方程獲得試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)各因素的優(yōu)組合。郝學(xué)財(cái)（2006）利用響應(yīng)面分析法對(duì)影響里氏木霉高產(chǎn)變異株WX-112產(chǎn)纖維素酶的發(fā)酵培養(yǎng)基主要因素進(jìn)行了篩選和優(yōu)化，得出液態(tài)深層發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶的佳培養(yǎng)基，并進(jìn)步優(yōu)化了發(fā)酵培養(yǎng)條件，使產(chǎn)酶能力比初始條件提高了3倍。馮培勇等（2009）利用響應(yīng)面分析法對(duì)黑曲霉產(chǎn)纖維素酶的發(fā)酵條件進(jìn)行了優(yōu)化，使酶活力達(dá)360.02U/mL，較初始發(fā)酵條件提高了34.4%。