Bài giảng tối ưu hóa trong công nghệ thực phẩm

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM
Design of experiment


Nội dung

•
•
•
•

Thiết kế thí nghiệm?
Các khái niệm liên quan đến thiết kế thí nghiệm
Các phương pháp thiết kế thí nghiệm
Các bước tiến hành một thiết kế thí nghiệm.

2


2.1 Định nghĩa về thiết kế thí nghiệm
• Một thiết kế thí nghiệm:
– Là một chuỗi các thí nghiệm, thử nghiệm..
– Làm thay đổi các yếu tố đầu vào (input variable) và quan sát
các yếu tố đầu ra (observe the respone)

3


2.2. Khái niệm liên quan đến vấn đề thiết
kế thí nghiệm
•

Yếu tố thí nghiệm

•

Mức

•

Công thức thí nghiệm

•

Đơn vị thí nghiệm

4


Yếu tố thí nghiệm
• Yếu tố thí nghiệm là một biến độc lập gồm hang loạt
các phần tử có chung một bản chất mà có thể so sánh
trong quá trình thực hiện thí nghiệm.
• Ví dụ: Hàm lượng TSS của quả thanh long ở những
thời gian bảo quản khác nhau, hàm lượng protein trong
khẩu phần ăn…
• Một thí nghiệm có thể có một hoặc nhiều yếu tố thí
nghiệm và các yếu tố thí nghiệm này có thể là yếu tố cố
định hoặc yếu tố ngẫu nhiên.

5

Yếu tố thí nghiệm
• Là biến ảnh hưởng đến kết quả đầu ra
• Là tập hợp các công thức thí nghiệm cùng một đặc tính

6


Mức
• Các phần tử riêng biệt khác nhau trong cùng một yếu tố
thí nghiệm được gọi là mức.
• Ví dụ nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chất khô hòa
tan ban đầu (TSS) đến chất lượng cảm quan rượu vang
ta có thể nghiên cứu ở 3 mức TSS ban đầu khác nhau.
Trong bảo quản có thể quả kéo dài thời gian bảo quan
của các loại hóa chất khác nhau cũng có thể coi mỗi
loại hóa chất là một mức thí nghiệm.

7


Công thức thí nghiệm
• Một tổ hợp các mức của các nhân tố được gọi là một
nghiệm thức hay công thức thí nghiệm.
•
Ví dụ nghiên cứu ảnh hưởng của protein ở 3 mức khác
nhau đến sản lượng sữa bò, trong trường hợp này ta
sẽ có 3 công thức. Ta xét một trường hợp tương tự
nhưng có thêm yếu tố thứ 2 là thức ăn tinh ở 2 mức, lúc

này sẽ có tất cả 6 công thức thí nghiệm.

8


Công thức thí nghiệm (nghiệm thức)
• Nghiệm thức là tình trạng khác nhau của một yếu tố mà
muốn nghiên cứu.

• Nghiệm thức có thể là nồng độ hóa chất, giống vi sinh,
thời gian xử lý, ...

• Số liệu thu thập từ thí nghiệm sẽ tăng lên rất nhiều nếu
áp đặt nhiều nghiệm thức và thiếu hiểu biết cơ bản về
yếu tố nghiên cứu.

9


Công thức thí nghiệm (nghiệm thức)
• Hiểu biết về nguyên liệu thí nghiệm hay mức độ ảnh
hưởng của yếu tố có thể hạn chế các nghiệm thức
không cần thiết.

• Hiểu biết về tác động của nồng độ của một hóa chất,
chỉ cần đặt các nghiệm thức trong phạm vi nồng độ tối
thiểu và nồng độ tối đa cần thiết.

10

Công thức thí nghiệm
• Ví dụ khảo sát ảnh hưởng của phụ gia đến độ chắc của
bánh đa nem
Lặp lại

VTM C

CaCl2

1

55

45

65

25

2

50

40

60

55

3

65

35

55

50

4

40

65

65

40

Acid
formic

acid
Benzoic

11


2. 3. Các nguyên tắc bố trí thí nghiệm

•
•
•
•
•

Nguyên tắc không lấy toàn bộ trạng thái đầu vào
Nguyên tắc phức tạp dần mô hình
Nguyên tắc lặp lại thí nghiệm
Nguyên tắc ngẫu nhiên hóa
Nguyên tắc blocking

12


Nguyên tắc không lấy toàn bộ trạng
thái đầu vào
• Để có thông tin toàn diện về hàm mục tiêu đầu ra chúng
ta phải tiến hành vô số các thí nghiệm
• Về lý thuyết nếu không tiến hành tất cả các thực
nghiệm đó thì có thể bỏ sót đặc điểm nào đó của hàm
mục tiêu,
• Tuy nhiên thực tế không thể thực hiện được điều đó.
Do vậy người nghiên cứu chỉ có thể lấy những giá trị rời
rạc, chọn mức biến đổi nào đó cho các yếu tố.

13


Nguyên tắc phức tạp dần mô hình

• Logic tiến hành thực nghiệm là nên làm ít thí nghiệm để
có mô hình đơn giản (ví dụ mô hình tuyến tính), kiểm
tra tính tương hợp của mô hình :
– Nếu mô hình tương hợp, đạt yêu cầu thì dừng lại, hoặc cải tiến
;
– Nếu mô hình không phù hợp thì tiến hành giai đoạn tiếp theo
của thực nghiệm: làm những thí nghiệm mới, bổ sung để rồi
nhận được mô hình phức tạp hơn

14


Nguyên tắc lặp lại thí nghiệm (replication)
• Mỗi đơn vị thí nghiệm phải hiện diện nhiều lần trong một
cuộc thí nghiệm, đó là sự lặp lại.
• Một lô thí nghiệm không lặp lại không đo được sự biến thiên,
từ đó không thể tính toán được mức tin tưởng của các kết
luận.
• Lặp lại càng nhiều, trung bình và sai số tiêu chuẩn tính cho
mỗi nghiệm thức càng tin cậy.
• Mục đích :
– Thí nghiệm thống kê trở nên chính xác hơn
– Giảm sai số một cách có ý nghĩa

15


Nguyên tắc ngẫu nhiên hóa (randomization)
• Bảo đảm tính hiệu lực của sự đánh giá
• Làm công bằng sự khác biệt giữa các nghiệm thức

• Có thể tạo được từ các bảng số ngẫu nhiên

16


Nguyên tắc blocking
• Là phân nhóm, phân lô, phân khối
• Giảm sai số thí nghiệm

• Cực đại sự khác biệt giữa các khối
• Cực tiểu sự khác biệt bên trong khối
• Nghiệm thức được bố trí ngẫu nhiên trong khối

17


2.4. Các bước thiết kế thí nghiệm
•
•
•
•
•
•

Xác định mục tiêu nghiên cứu
Xác định các yếu tố thí nghiệm
Xác định các lô TN, DVTN
Xác định sự quan sát
Xác định mẫu thí nghiệm

Thực hiện thí nghiệm, phân tích số liệu, giải thích và báo
cáo kết quả

18


Xác định mục tiêu nghiên cứu
•
•
•
•
•

Vấn đề quan trọng của việc tổ chức nghiên cứu
Quyết đinh thành công, thất bại của nghiên cứu.
Xuất phát từ đòi hỏi của nghiên cứu, sản xuất
Có đơn đặt hàng
Yêu cầu của cơ quan cấp kinh phí

19


Xác định các yếu tố thí nghiệm
• Số yếu tố:
–
–

một, hai, hay nhiều hơn
không nên quá nhiều yếu tố trong một thí nghiệm.

• Bản chất của mỗi yếu tố:
– Định tính hay định lượng ;
– Cố định hay ngẫu nhiên

20


Xác định mẫu thí nghiệm
• Phải mang tính ngẫu ngẫu nhiên
• Phải mang tính đại diện

• Tránh chọn mẫu theo ý kiến chủ quan của người nghiên cứu

21


Thực hiện thí nghiệm, phân tích kết quả
• Tránh sai số khi thực hiện thí nghiệm:
– Đo đếm kết quả đúng lúc, chính xác
– Hạn chế các điều kiện khách quan
– Loại bỏ các số liệu đột biến

• Tránh sai số khi sao chép
• Kiểm tra số liệu sao chép
• Kiểm tra các điều kiện thí nghiệm

22


Đo đếm kết quả đúng lúc và chính xác

•

Cần phải thực hiện đo đếm một cách đồng nhất
giữa các nghiệm thức vì nếu đo không đồng nhất
sẽ làm tăng sự sai biệt gây ra do các yếu tố không
kiểm soát và làm tăng sai số thí nghiệm.

•

Khi đo đếm phải dùng một thiết bị đồng nhất, giữa
các nghiệm thức phải cùng do một người hay một
nhóm đo.

23


Hạn chế các điều kiện khách quan
•

Thí nghiệm đặt trong điều kiện kiểm soát
hay không

•

Các điều kiện ngoại cảnh có tác động hay
không.

24

Loại bỏ các số liệu đột biến
•

Trong quá trình thí nghiệm kết quả đo được
đôi khi có những giá trị đột biến (tăng hoặc
giảm) bất thường.

•

Đối với những số liệu này chỉ ghi nhận và tìm
cách giải thích nó chứ không mô phỏng và sử
dụng cho thí nghiệm.

25