CN101372673B - 一株青霉菌株及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一株青霉菌株及其应用。本发明提供了青霉(Penicillium sp.)1-95CGMCC No.2645,同时提供了发酵青霉(Penicillium)1-95CGMCC No.2645得到的淀粉酶。本发明提供的淀粉酶的最适pH值为5.0,最适温度为45℃。与现有的淀粉酶比较,本发明的淀粉酶的最适作用条件更接近酵母菌的发酵条件。所以将本发明所提供的青霉1-95或本发明提供的淀粉酶应用于同步糖化发酵产酒精工艺中,有望解决糖化酶效率低下造成的淀粉“同步糖化发酵”生产酒精高成本的问题。

Description

一株青霉菌株及其应用
技术领域
本发明涉及一株青霉菌株及其应用。
背景技术
当前世界正陷于能源危机,要改变现状,需要寻找新的替代型能源,燃料乙醇作为一种清洁可再生能源已在许多国家使用。
淀粉是植物重要的能量储存形式(Steven Ball,Han-Ping Guan,Martha James.From glycogen to amylopectin:a model for the biogenesis of the plant starchgranule[J].Cell,1996,86:349-352.),对于多种生物体具有重大的意义。淀粉可以供给生物生命所需的能量,淀粉的降解产物可以制成各种各样的产品,应用于人类社会的各个方面。我国是农业大国,做好淀粉的综合利用工作,对国计民生和社会安定等多方面具有极大的促进作用。淀粉是葡萄糖的聚合物,直链淀粉(amylose)是以α-1,4糖苷键连接而成的没有分枝的线形分子,支链淀粉(amylopectin)在线形分子上存在少数以α-1,6糖苷键连接的支链(N.K.Matheson,R.A.Caldwell.Modeling of α(1-4)chain arrangements inα(1-4)(1-6)glucans:The act ion and outcome of β-amylase and Pseudomonas stutzeri amylase onan α(1-4)(1-6)glucan model[J].Carbohydrate Polymers,2008,72:625-637.)。
淀粉酶不是单一的某一种酶,而是能够降解淀粉的酶的统称,依据淀粉酶的作用方式可以将其分为外切型和内切型两大类。内切型淀粉酶能切开淀粉分子内部的α-1,4和α-1,6糖苷键,包括α-淀粉酶、普鲁兰酶和麦芽六糖酶等。外切型淀粉酶包括β-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶和葡萄糖淀粉酶等(N.S.Reddy,AnnapoornaNimmagadda,K.R.S.Sambasiva Rao.An overview of the microbial α-amylasefamily[J].African Journal of Biotechnology,2003,2(12):645-648;Marc JE C,Van der Maarel,Bart van der Veen.Properties and applications of starch-converting enzymes of the α-amylase family[J].Journal of Biotechnology,2002,94:137-155.)。α-淀粉酶(α-1,4-D-Glucanohydrolase;EC3.2.1.1)从淀粉分子内部水解α-1,4糖苷键,不能水解α-1,6糖苷键,水解α-1,4糖苷键的先后次序是无规律的。α-淀粉酶水解淀粉的终产物随酶的性质不同而不同:水解直链淀粉的最终产物一般含有麦芽低聚糖、麦芽糖和葡萄糖中的一种或几种;水解支链淀粉的最终产物除α-极限糊精外,还可能含有麦芽低聚糖、麦芽糖和葡萄糖中的一种或几种。普鲁兰酶(Amylopullulanase;EC:3.2.1.41)水解淀粉内部α-1,6糖苷键,起脱支链作用。麦芽六糖酶(Maltotetraose-formingalpha-amylase;EC:3.2.1.98)每次催化释放6个葡萄糖单位。β-淀粉酶(β-amylase;EC:3.2.1.2)从淀粉分子的非还原性末端开始,水解相间隔的α-1,4糖苷键,每次作用释放出一个麦芽糖分子;不能水解α-1,6糖苷键,遇此键即停止水解作用。β-淀粉酶水解直链淀粉时产物全部为麦芽糖,水解支链淀粉时产物为麦芽糖和β-极限糊精。α-葡萄糖苷酶(α-glucosidase;EC3.2.1.20)作用于淀粉分子的非还原性末端,每次作用释放出一个异头碳为α-构型的葡萄糖分子。葡萄糖淀粉酶(Glucoamylase;EC:3.2.1.3)俗称糖化酶,作用于淀粉分子的非还原性末端,每次作用释放出一个异头碳为β-构型的葡萄糖分子,不仅能水解α-1,4糖苷键,还能微弱水解α-1,6糖苷键,因此葡萄糖淀粉酶能把直链淀粉和支链淀粉全部水解为葡萄糖。
以淀粉为原料生产燃料乙醇一般分为如下几步:去除杂质、原料粉碎、原料降解和醪液调节、发酵、蒸馏和后加工(章克昌,吴佩琮.酒精工艺手册[M].北京:中国轻工业出版社,2000.)。在传统工艺中,由于原料降解和微生物发酵产酒精两步工序所需的环境条件不同,为了能高效生产,这两步工序是分开进行的,这就是所谓的“两步法”(Lee R Lynd,Paul J Weimer,Willem H van Zyl.Microbialcellulose utilization fundamentals and biotechnology[J].Microbiology andMolecular Biology Reviews,2002,66(3):506-577.)。有的学者提出改进的工艺,是将原料降解和微生物发酵产酒精这两步工序合并成一步的“一步法”,即“同步糖化发酵”(Per Sassner,Guido Zacchi.Integration options for high energyefficiency and improved economics in a wood-to-ethanol process[J].Biotechnology for Biofuels,2008,1(4):1-11.)。相对于“两步法”工艺,“同步糖化发酵”工艺主要有四个优点:①可发酵性糖(原料降解的产物)一产生就被发酵微生物利用,其浓度可以一直维持在较低水平,消除了产物的反馈抑制,使得原料的降解能更高效地进行;②可发酵性糖一旦产生就被发酵微生物利用,使得杂菌没有可利用的碳源,可以一定程度抑制杂菌生长;③在较低温度下进行原料的降解,节省了传统维持降解所用温度所需的费用,节省了生产成本;④缩减了单独原料降解的工序,提高了设备利用率(Sudip Roy,Ravindra D Gudi,K V Venkatesh,etal.Optimal control strategies for simultaneous saccharification andfermentation of starch[J].Process Biochemistry,2001,36:713-722;KarinO hgren,Renata Bura,Gary Lesnicki.A comparison between simultaneoussaccharification and fermentation and separate hydrolysis and fermentationusing steam-pretreated corn stover[J].ProcessBiochemistry,2007,42:834-839.)。虽然淀粉“同步糖化发酵”生产酒精工艺具有良好的应用前景,但由于酵母菌发酵产酒精需要酸性低温条件,目前仍缺乏可以在酸性低温条件高效发挥作用的淀粉酶。商业用的糖化酶来自于黑曲霉,最适作用温度是60℃,在酵母菌发酵温度(约30℃)时,糖化酶只有在60℃活力的三分之一,尽管也能将该糖化酶用于淀粉同步糖化发酵工艺生产酒精,但糖化酶效率低下,这是淀粉“同步糖化发酵”生产酒精高成本的原因之一。
发明内容
本发明的目的是提供一株青霉菌株及其应用。
本发明所提供的青霉(Penicillium sp.)菌株,名称为1-95,已于2008年08月29日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(简称CGMCC,地址为:北京市朝阳区大屯路),保藏号为CGMCC No.2645。
本发明还提供了利用该菌株生产淀粉酶的方法。
本发明所提供的生产淀粉酶的方法,是发酵青霉(Penicillium sp.)1-95CGMCC No.2645,得到淀粉酶。
发酵青霉1-95可采用如下培养基:每升培养基中含有:8-12g可溶性淀粉、2-3g(NH4)2SO4、2-4g KH2PO4、4-6g胰蛋白胨、0.1-0.3g MgSO4·7H2O、0.10-0.15g CaCl2、0.020-0.030g FeSO4·7H2O;pH5-6。优选采用如下培养基:每升培养基中含有:10g可溶性淀粉、2.5g(NH4)2SO4、3g KH2PO4、5g胰蛋白胨、0.2g MgSO4·7H2O、0.13g CaCl2、0.0255g FeSO4·7H2O;pH5.5。
发酵青霉可采用真菌的常用培养温度,优选28℃。在28℃,发酵的第九天,淀粉酶产量达到最高。
以上方法制备得到的淀粉酶也属于本发明的保护范围。该淀粉酶在pH3.5-6.5均有活性,优选pH4.5-5.5,最适pH值为5.0;该淀粉酶在15-70℃温度下均有活性,优选35-50℃,最适温度为45℃。
本发明所提供的青霉(Penicillium)1-95CGMCC No.2645和淀粉酶均可应用于酒精生产中。
本发明所提供的青霉(Penicillium sp.)1-95CGMCC No.2645可通过发酵得到淀粉酶,该淀粉酶的最适pH值为5.0,最适温度为45℃。与现有的淀粉酶比较,本发明的淀粉酶的最适作用条件更接近酵母菌的发酵条件。所以将本发明所提供的青霉(Penicilliumsp.)1-95CGMCC No.2645或发酵该菌得到的淀粉酶应用于同步糖化发酵产酒精工艺中,有望解决糖化酶效率低下造成的淀粉“同步糖化发酵”生产酒精高成本的问题。
以下的实施例便于更好地理解本发明,但并不限定本发明。
附图说明
图1为菌株1-95在分离平板上的形态。
图2为菌株1-95在分离平板上的淀粉降解圈。
图3为菌株1-95在PDA平板上的形态。
图4为菌株1-95在光学显微镜下的形态。
图5为青霉1-95淀粉酶在不同pH条件下的活力曲线。
图6为青霉1-95淀粉酶在不同温度条件下的活力曲线。
图7为青霉1-95淀粉酶的温度耐受性分析。
图8为青霉1-95淀粉酶水解淀粉的产物分析。
图9为青霉1-95淀粉酶在发酵产酒精过程中的酒精含量和残糖含量。
具体实施方式
下述实施例中的实验方法,如无特别说明,均为常规方法。以下实施例中所用的DNA聚合酶等生化试剂购自SIGMA,各种药品均为国产分析纯。
实施例1、青霉(Penicillium sp.)1-95CGMCC No.2645的获得
一、菌株的获得
1、土壤样品的采集
拨开上层土,采集约5cm处的松软泥土。土壤样品采集地:广西壮族自治区梧州市农村。
2、菌株的分离和初步筛选
用去离子水配制固体琼脂培养基(诸葛斌,诸葛健.生淀粉糖化酶高产菌的选育[J].微生物学通报,2001,28(6):60-64.),每升培养基中含有:10g可溶性淀粉、3g NaNO3、1g KH2PO4、0.5g KCl、0.5g MgSO4·7H2O、0.01g FeSO4·7H2O、25g琼脂;pH5.5。将配制好的培养基在15磅/英寸2的压力下湿热灭菌20分钟。
采用透明圈法(谢广发,夏祖宏.筛选糖化菌的方法-透明圈法[J].中国酿造.1998(1):30)进行分离和初步筛选,具体步骤如下:
称取0.5g土壤样品置于250mL小锥形瓶中,加入49.5mL灭菌水,180rpm震荡60min,取悬浊液稀释为10-3、10-4、10-5、10-6、10-7、10-8和10-9共7个梯度,各稀释梯度取50μL涂分离平板,28℃恒温培养4天后,观察各平板菌落生长情况,选择生长真菌单菌落数量为15-20个的稀释度涂大量平板,28℃培养5天后用碘液染色,挑取有明显淀粉降解圈的真菌菌落稀释涂平板至纯种,并保存纯种。
3、淀粉降解菌的复筛
用去离子水配制液体发酵培养基(张丽苹,徐岩.酸性α-淀粉酶生产菌株的选育的初步研究[J].工业微生物,2002,32(4):11-14.),每升培养基中含有:10g可溶性淀粉、2.5g(NH4)2SO4、3g KH2PO4、5g胰蛋白胨、0.2g MgSO4·7H2O、0.13g CaCl2、0.0255g FeSO4·7H2O;pH5.5。将配制好的培养基15磅/英寸2的压力下湿热灭菌20分钟。
具体的复筛步骤如下:
将初筛获得的真菌菌种平板活化后取孢子制成悬液,调孢子浓度为1×107个/mL,按照1%的接种量接种至液体发酵培养基(500mL三角瓶装液量100mL)。温度28℃、转速180rpm,震荡培养5天后取粗酶液分别在30℃和60℃下测定淀粉酶活力,从中筛选出淀粉酶活力最强的菌株1-95。
菌株1-95在分离平板上的形态见图1,菌株1-95在分离平板上的淀粉降解圈见图2。
二、菌株鉴定
生长特征:菌株1-95在PDA平板上生长缓慢,28℃培养5天后直径仅1.5cm。
形态特征:菌株1-95在PDA平板上生长5天后的形态见图3。菌落生长初期菌丝为白色,然后慢慢变黄,再分化出分生孢子梗,至分化出分生孢子时菌落变为青色。菌落初期为松散的绒毛状,至分化出分生孢子时菌落变得致密。用光学显微镜观察到菌丝有隔,分生孢子梗为扫帚状,共有二轮分生孢子小梗,在第二轮分生孢子小梗的顶端分化出分生孢子(见图4)。分生孢子为圆形或椭圆形。
参照《真菌鉴定手册》将菌株1-95鉴定为青霉属(Penicillium)。
通过菌株1-95的生长特征鉴定和形态特征鉴定,确认菌株1-95为青霉属(Penicillium)。将青霉(Penicillium sp.)1-95保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心,保藏号为CGMCC No.2645。
实施例2、青霉(Penicillium sp.)1-95CGMCC No.2645生产的淀粉酶的酶学特性
酶活力定义:将可溶性淀粉溶于pH4.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液,使其终浓度为0.25%(每100毫升溶液中含有0.25克可溶性淀粉),30℃条件下,每小时释放出相当于1毫克葡萄糖所需的酶量为一个酶活力单位。
酶活力测定方法采用DNS(3,5-dinitrosalicylate)法。3,5-二硝基水杨酸(DNS)与还原糖共热后被还原成棕红色的3-氨基-5-硝基水杨酸,该物质在540nm处有特征吸收峰。在一定的浓度范围内,还原糖的量和棕红色物质颜色的深浅程度成一定的比例关系,因此可以通过测定540nm的光吸收值对还原糖进行定量(Miller G L.Use of dinitrosalicyclic acid reagent for determination ofreducing sugar.Biotechnol Bioeng Symp1959,5:193-219.)。
青霉(Penicillium sp.)1-95CGMCC No.2645于28℃、180rpm振荡培养9天后取发酵液13000rpm离心5min,上清液即为粗酶液。
一、青霉1-95生产的淀粉酶的酶活力
将粗酶液稀释20倍,作为待测酶液A;将粗酶液稀释20倍,煮沸5min灭活,作为待测酶液B(空白对照)。
1、将可溶性淀粉溶于pH4.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液,得到淀粉溶液(每100毫升溶液中含有0.25克可溶性淀粉)。
2、在350μL淀粉溶液中加入50μL待测酶液30℃反应1小时。
3、加两倍体积DNS终止反应并煮沸5min显色。
4、测定540nm的光吸收值,计算酶活力。
设置三次重复试验,结果取平均值。
待测酶液的酶活力为1.50U/mL,所以粗酶液的酶活力为30.00U/mL。
二、青霉1-95生产的淀粉酶的最适作用pH值
将粗酶液稀释至5倍体积,作为待测酶液A;将粗酶液稀释至5倍体积,煮沸5min灭活,作为待测酶液B(空白对照)。
1、将可溶性淀粉分别溶于pH3.5至6.5(以0.5作为pH梯度)的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液,得到淀粉溶液,各淀粉溶液中淀粉的终浓度均为0.25%(每100毫升溶液中含有0.25克可溶性淀粉)。
2、在350μL淀粉溶液中加入50μL待测酶液30℃反应15min。
3、加两倍体积DNS终止反应并煮沸5min显色。
4、测定540nm的光吸收值,计算酶活力。
设置三次重复试验,结果取平均值。
将待测酶液的酶活力乘以稀释倍数,得到粗酶液的酶活力。粗酶液的酶活力为:10.10U/mL(pH3.5)、30.00U/mL(pH4.0)、39.69U/mL(pH4.5)、42.73U/mL(pH5.0)、37.56U/mL(pH5.5)、28.45U/mL(pH6.0)、15.08U/mL(pH6.5)。
以最高酶活力作为100%,其他pH值的酶活力折算为相对于最高酶活力的相对酶活力。以pH值为横坐标,相对酶活力为纵坐标作图,见图5。
结果表明,青霉1-95生产的淀粉酶的最适作用pH约为5.0。
三、青霉1-95生产的淀粉酶的最适作用温度
将粗酶液稀释至5倍体积,作为待测酶液A;将粗酶液稀释至5倍体积,煮沸5min灭活,作为待测酶液B(空白对照)。
1、将可溶性淀粉溶于pH4.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液,得到淀粉溶液(每100毫升溶液中含有0.25克可溶性淀粉)。
2、在350μL淀粉溶液中加入50μL待测酶液,分别在15-70℃(以5℃作为温度梯度)反应15min。
3、加两倍体积DNS终止反应并煮沸5min显色。
4、测定540nm的光吸收值,计算酶活力。
设置三次重复试验,结果取平均值。
将待测酶液的酶活力乘以稀释倍数,得到粗酶液的酶活力。粗酶液的酶活力为:15.45U/mL(15℃)、19.10U/mL(20℃)、22.81U/mL(25℃)、30.00U/mL(30℃)、33.87U/mL(35℃)、35.96U/mL(40℃)、37.25U/mL(45℃)、33.34U/mL(50℃)、25.71U/mL(55℃)、17.09U/mL(60℃)、11.20U/mL(65℃)、5.47U/mL(70℃)。
以最高酶活力作为100%,其他温度的酶活力折算为相对于最高酶活力的相对酶活力。以温度为横坐标,相对酶活力为纵坐标作图,见图6。
结果表明,青霉1-95生产的淀粉酶的最适作用温度约为45℃。
四、青霉1-95生产的淀粉酶的温度耐受性
将粗酶液稀释至4倍体积,作为酶液A;将粗酶液稀释至4倍体积,煮沸5min灭活,作为酶液B(空白对照)。取若干份酶液A,分别在35℃、40℃、45℃和50℃下保温1-6h;同样,取若干份酶液B,分别在35℃、40℃、45℃和50℃下保温1-6h。
1、将可溶性淀粉溶于pH4.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液,得到淀粉溶液,各淀粉溶液中淀粉的终浓度均为0.25%(每100毫升溶液中含有0.25克可溶性淀粉)。
2、每350μL淀粉溶液中加入50μL不同温度处理后的酶液,30℃反应15min。
3、加两倍体积DNS终止反应并煮沸5min显色。
4、测定540nm的光吸收值,计算酶活力。
设置三次重复试验,结果取平均值。
将待测酶液的酶活力乘以稀释倍数,得到粗酶液的酶活力。粗酶液的酶活力为:35℃处理1h:30.00U/mL、2h:29.96U/mL、3h:30.00U/mL、4h:30.00U/mL、5h:29.38U/mL、6h:29.18U/mL;40℃处理1h:23.81U/mL、2h:21.48U/mL、3h:20.71U/mL、4h:16.84U/mL、5h:14.12U/mL、6h:12.88U/mL;45℃处理1h:5.64U/mL、2h:2.24U/mL、3h:0U/mL;50℃处理1h:1.29U/mL、2h:0U/mL
以步骤一测定的粗酶液的酶活力作为100%,将不同温度和时间处理后酶液的酶活力折算为相对酶活力。以温度为横坐标,相对酶活力为纵坐标作图,见图7。
结果表明,青霉1-95生产的淀粉酶在40℃保温1h后活性开始稍有丧失,在50℃保温1h后活性几乎全部丧失,说明该淀粉酶对温度比较敏感。
五、青霉1-95生产的淀粉酶的淀粉水解产物分析
将粗酶液稀释至5倍体积,作为待测酶液。
1、将可溶性淀粉溶于pH4.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液,得到淀粉溶液,淀粉的终浓度均为2%(每100毫升溶液中含有2克可溶液淀粉)。
2、在350μL淀粉溶液中加入50μL待测酶液30℃反应。
3、在反应的不同时间取上清液,使得所有反应时间作用产生的产物能够反映淀粉酶对可溶性淀粉的作用过程;将煮沸5min灭活的上清液作对照。
取10μL上清液样品上样,室温下上行展开5h(展开液配方为正丁醇:乙酸:水=4:2:1),展层结束后取出薄板吹干,密闭器皿中碘熏显色。结果见图8。图8中各泳道分别为:M:葡萄糖和麦芽糖标样;泳道1:青霉1-95粗酶液;泳道2:粗酶液与淀粉溶液在30℃下保温5分钟;泳道3:粗酶液与淀粉溶液在30℃下保温15分钟;泳道4:粗酶液与淀粉溶液在30℃下保温30分钟;泳道5:粗酶液与淀粉溶液在30℃下保温60分钟;泳道6:粗酶液与淀粉溶液在30℃下保温120分钟;泳道7:粗酶液与淀粉溶液在30℃下保温240分钟。
结果表明,青霉1-95生产的淀粉酶作用于可溶性淀粉并没有首先释放出葡萄糖,而是释放出寡糖,随着作用时间的延长渐渐释放出葡萄糖,最后产物只有葡萄糖。推测青霉(Penicillium)1-95生产的淀粉酶里含有α-淀粉酶,但不确定是否含有其它的淀粉酶。
实施例3、利用青霉(Penicillium sp.)1-95CGMCC No.2645发酵产酒精
在A、B和C三个5L三角瓶中装4000mL高温蒸煮液化之后的木薯醪液(广西平果凯特生物化工有限公司,总糖含量为17.17%,液化率(还原糖占总糖的质量分数)为35%),降温到30℃后用盐酸调节pH为4.0,各添加50mL已活化的耐高温酿酒高活性干酵母(湖北省宜昌市安琪酵母股份有限公司,产品目录号:80000022)。按照同步糖化发酵时间为64h计算需要添加酶量的理论值,确定添加量。青霉1-95于28℃、180rpm振荡培养九天后取发酵液13000rpm离心5min,上清液即为粗酶液。A、B、C三瓶木薯醪液进行如下处理:
A瓶(阴性对照):用蒸馏水定容至4500mL;
B瓶(理论值30倍的酶量):
加入粗酶液后,用蒸馏水定容至4500mL,使得B瓶中酶活力为8490U/mL(30℃、pH4.0);
C瓶(理论值100倍的酶量):加入粗酶液后,用蒸馏水定容至4500mL,使得C瓶中酶活力为28300U/mL(30℃、pH4.0);
在第16、32、48和64小时取发酵液测定酒份,并且在64h时测定发酵液中的残余总糖量。酒份和残余总糖量的测定依照文献(胡嗣明,张天航.酒精生产分析检验[M].轻工业出版社,1983.)所述方法进行。设置3次重复试验,结果取平均值。
结果见图9,图9A为发酵液中的酒份随时间变化的曲线;9B为发酵完成后,发酵液中的残余总糖量。结果表明:添加了淀粉酶的试验组,酒份随着发酵时间的推移而增加,发酵完成时,A处理未测得到酒份;B处理产生酒份只有2.9;C处理产生酒份为8.8。A处理的残余总糖量为16.8%,这与木薯液化醪的总糖17.17%相差不大,说明由于未添加淀粉酶,木薯液化醪中的糊精未被降解成葡萄糖,酵母不能利用来产生酒精,所以残余总糖量几乎与发酵开始时相等。B处理的残余总糖含量为5.3%,说明由于淀粉酶添加不够,木薯液化醪中还有大部分原料未被降解。C处理残余糖含量是0.5%,这与工业上的残余总糖量大致相等,说明淀粉原料被利用得比较彻底。这些数据说明青霉1-95生产的淀粉酶可以在木薯淀粉液化醪的同步糖化发酵工艺中发挥作用,并具有一定的应用前景。

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1.一种青霉(Penicillium sp.),其特征在于:该青霉菌为青霉1-95,在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心的保藏编号为CGMCC No.2645。
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