Box Behnken Design w optymalizacji procesu biosyntezy β-karotenu w hodowlach drożdży Rhodotorula rubra Ludmiła Bogacz-Radomska(1), Joanna Harasym(1,2,3), Remigiusz Olędzki(1), Tomasz Podeszwa(1) 1. Uniwersytet Ekonomiczny we Wrocławiu, Instytut Chemii i Technologii Żywności, Katedra Biotechnologii i Analizy Żywności, ul. Komandorska 118/120, 53-345 Wrocław 2. University of Valladolid, College of Agricultural and Forestry Engineering, Food Technology, Department of Agriculture and Forestry Engineering, Paseo de Belen 19, 47011 Valladolid, Spain 3. Bio-Ref Laboratory Planowanie doświadczeń w oparciu o różne dostępne modele prowadzi do określenia zależności pomiędzy zmiennymi zależnymi i niezależnymi oraz do ograniczenia liczby wykonanych doświadczeń. Celem prowadzonych badań była optymalizacja składu podłoża w hodowlach drożdży Rhodotorula rubra 350 w oparciu o model planowania doświadczeń Box-Behnken Design. W modelu Box-Behnken Design zakłada się trzy poziomy dla każdej zmiennej niezależnej. Ilość eksperymentów (N) wylicza się na podstawie równania:   N = 2k (k - 1) + Co w którym: k – ilość czynników, Co – ilość punktów centralnych. Uzyskane wyniki poddano analizie regresji z wykorzystaniem pakietu Statistica 10, StatSoft. W czasie analizy regresji wybrano model 2-czynnikowy (liniowo-kwadratowy), następnie przeprowadzano analizę wariancji ANOVA, podsumowywano efekty i ignorowano efekty, których przedział ufności (p) był większy od 0,5. Na podstawie wykresu Pareto analizowano znaczenie wybranych efektów. W kolejnym etapie sporządzano wykres rozrzutu (korelacji) dla wartości aproksymowanych względem obserwowanych oraz wykres powierzchni odpowiedzi wraz z równaniem regresji. Maksymalną wartość zmiennej zależnej określano przy pomocy programu Matlab, wersja 8.4., TheMathWorks, Inc. Rodzaje zmiennych niezależnych i ich poziomy w optymalizacji składu podłoża pod względem stężeń mikro- i makroelementów w modelu Box-Behnken Design Składniki podłoża Zmienne niezależne Poziomy zmiennych niezależnych -1 +1 g dm-3 KH2PO4 X1 0,0 4,0 8,0 Na2SO4 X2 2,0 MgSO4·7H2O X3 0,5 1,0 Ekstrakt drożdżowy X4 ZnCl2 X5 0,576 1,15 1. 2. Zakodowane poziomy zmiennych niezależnych w modelu Box-Behnken Design dla 5 czynników X1 X2 X3 X4 X5 ±1 3. Przestrzenne wykresy powierzchni odpowiedzi dla zawartości β-karotenu w 5-czynnikowym planie Box-Behnken Design, będące kombinacją dwóch zmiennych niezależnych: 1- stężenia ekstraktu drożdżowego i stężenia KH2PO4, 2- stężenia KH2PO4 i stężenia ZnCl2, 3- stężenia ZnCl2 i stężenia ekstraktu drożdżowego Rodzaje zmiennych niezależnych i ich poziomy w optymalizacji składu podłoża pod względem stężeń źródeł węgla w modelu Box-Behnken Design Składniki podłoża Zmienne niezależne Poziomy zmiennych niezależnych -1 +1 g dm-3 Glukoza X1 0,0 30,0 60,0 Sacharoza X2 Glicerol X3 Zawartość β-karotenu [μg gs.m.-1] Zakodowane poziomy zmiennych niezależnych w modelu Box-Behnken Design dla 3 czynników Glicerol [g dm-3] Glukoza [g dm-3] Zmienne niezależne Numery doświadczeń 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 X1 -1 X2 X3 Przestrzenny wykres powierzchni odpowiedzi dla zawartości β-karotenu w 3-czynnikowym planie Box-Behnken Design przeprowadzonym podczas doboru stężeń źródeł węgla, będący kombinacją dwóch zmiennych niezależnych: stężenia glukozy i stężenia glicerolu Maksymalną wartość zmiennej zależnej, którą była zawartość β-karotenu znaleziono przy pomocy programu Matlab, wersja 8.4.:  5 czynnikowy plan – dobór stężeń mikro- i makroelementów Zawartość β-karotenu (Z) – 7,86 μg gs.m.-1 KH2PO4 (X1) – 4,95 g dm-3 Na2SO4 (X2) – 0,0 g dm-3 MgSO4·7H2O (X3) – 0,0 g dm-3 Ekstrakt drożdżowy (X4) – 2,23 g dm-3 ZnCl2 (X5) – 0,41 g dm-3  3 czynnikowy plan – dobór stężeń źródeł węgla Zawartość β-karotenu (Z) – 28,19 μg gs.m.-1 Glukoza (X1) – 60,0 g dm-3 Sacharoza (X2) – 0,0 g dm-3 Glicerol (X3) – 31,1 g dm-3