CN103181570A - 提取膳食纤维的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提取膳食纤维的方法。该方法,包括如下步骤:1)将香料作物粉碎后,用有机溶剂萃取,得到脱油香料;2)将步骤1)所得脱油香料与水混合进行剪切乳化,再进行酶解,将所得酶解物在沸水浴中加热后,离心,去除上清液,干燥沉淀,得到所述膳食纤维。本发明开发了一种新型、温和的脱油膳食纤维的提取方法,减少了资源浪费和环境污染,实现了香料加工废弃物的综合利用,增加产品附加值。同时采用目前市场已有的食品机械生产脱油膳食纤维,提取工艺简单、易于产业化操作,且脱油膳食纤维产品纯度高、杂质少、色泽好、食用安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种提取膳食纤维的方法。
背景技术
孜然是世界第二大香料作物,因其独特的食用和药用特性得到国内外学者的广泛关注,我国新疆和甘肃是孜然的主要产地。孜然中含有3%-4%的精油,15%左右的脂肪,是提取精油和油树脂的主要来源。但是提取精油和油树脂后产生的大量废渣(脱油孜然)除了极少的一部分作为饲料之外,大部分当做废弃物丢掉,造成了极大的资源浪费和环境污染,也成为困扰企业的一大难题。
脱油孜然中含有大量的膳食纤维,已有研究表明膳食纤维具有良好的持水力、保水力和吸水膨胀力,并具有降血脂、抑制肥胖、抗结肠癌等功效,被称为人类“第七大营养素”,在食品、医药等行业具有较高的应用价值。因此,开发从孜然精油和油树脂加工残渣中提取膳食纤维的技术对于脱油孜然在食品工业和医疗保健行业中的应用具有积极的意义。
剪切乳化辅助酶解法是一种新型提取技术。在酶解之前采用剪切乳化设备进行预处理,不仅可以减小物料的粒径,还可以使物料分散均匀,从而更有利于酶解。传统的膳食纤维提取方法包括化学分离法、酶解法等,但化学分离法由于使用强烈的酸或碱处理,会导致大部分可溶性膳食纤维的损失,并且会产生大量的废液而造成一定的环境污染;普通的酶解法提取的膳食纤维纯度较低,且消耗的酶量较大。国内也有部分学者采用剪切乳化辅助酶解法提取玉米多肽(郭维静,2006),但对于膳食纤维的提取没有报道,相关的设备及参数也未提及。
发明内容
本发明的目的是提供一种提取膳食纤维的方法。
本发明提供的提取膳食纤维的方法,包括如下步骤:
1)将香料作物粉碎后,用亲脂性有机溶剂和亲水性有机溶剂同时进行萃取,萃取完毕收集沉淀,得到脱油香料;
2)将步骤1)所得脱油香料与水混合进行剪切乳化,再进行酶解,将所得酶解物在沸水浴中加热后,离心,去除上清液,干燥沉淀,得到所述膳食纤维。
上述方法的所述步骤1)中,香料作物选自孜然、茴香、孜然秸秆、茴香秸秆、花椒、桂皮、香柠檬和薄荷中的至少一种;
所述粉碎步骤中,粉碎后的目数为30-70目,具体为40目;
所述亲脂性有机溶剂选自氯仿、石油醚、正己烷和乙醚中的至少一种;
所述亲水性有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮中的至少一种;
粉碎后的香料作物∶亲脂性有机溶剂∶亲水性有机溶剂的用量比为1-5g∶2-10ml∶1-5ml,具体为1g∶2ml∶1ml;
所述萃取方法具体为Bligh-Dyer萃取。
所述Bligh-Dyer萃取具体为:将粉碎后香料、亲脂性有机溶剂和亲水性有机溶剂混匀,震摇5min,抽滤,所得沉淀为脱油香料,对上清液进行旋转蒸发,得到油树脂。
所述步骤2)加热步骤中,时间为10-15min,具体为15min;
所述脱油香料与水的用量比为1g∶15ml-40ml,具体为1g∶35ml;
所述剪切乳化步骤中,转速为4000-9000r,具体为4000r、5000r、6000r、7000r、8000r、9000r、4000-7000r、7000-9000r、4000-8000r、7000-8000r、4000-5000r、5000-9000r、4000-6000r、6000-9000r、5000-7000r、8000-9000r或6000-7000r;
时间为10-60min,具体为10min、20min、30min、40min、50min、60min、10-50min、20-40min、20-50min、30-60min、30-50min、30-40min、10-30min、10-20min、20-30min或10-40min。
酶解步骤中,所用酶为蛋白酶,具体选自酸性蛋白酶、中性蛋白酶和碱性蛋白酶中的至少一种;
其中,所述酸性蛋白酶具体为胃蛋白酶(Pepsin),可购于Sigma公司;所述酸性蛋白酶的酶活为800-2500U/mg,具体为2000U/mg;所述酸性蛋白酶的酶活定义为1g或1ml酸性蛋白酶在40℃和一定的pH条件下,1min水解酪蛋白生成1u g酪氨酸所需的酶量,定义为一个酶活力单位;
所述中性蛋白酶具体为木瓜蛋白酶(Papain),可购于Sigma公司;所述中性蛋白酶的酶活为0.5-2U/mg,具体为1.5U/mg;所述中性蛋白酶的酶活定义为1g酶或1ml酶液在一定温度(40℃)和pH值7.2的条件下,1min分解酪蛋白产生1ug酪氨酸的酶量为1个蛋白酶活力单位;
所述碱性蛋白酶具体为碱性蛋白酶Alcalase,可购于Novozymes公司;所述碱性蛋白酶的酶活为5-100000U/ml,具体为3000U/ml;所述碱性蛋白酶的酶活定义为碱性蛋白酶适宜于在40-55℃、pH值9-11的碱性条件下使用,超出以上范围酶的活力下降,碱性蛋白酶的酶活是指1g酶或1ml酶液在碱性条件下,1min水解酪素蛋白,产生1ug酪氨酸,为一个酶活力单位。
所述酶与底物的质量比为1-6∶100,具体为1∶100、2∶100、3∶100、4∶100、5∶100、6∶100、1-5∶100、1-4∶100、2-6∶100、2-4∶100、3-5∶100、4-6∶100、2-5∶100、3-6∶100或4-5∶100。所述底物为剪切乳化处理后所得产物。
所述酶解步骤中,pH值为7.0-9.5,具体为7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、7.0-9.0、7.0-8.5、7.0-7.5、7.5-9.0、7.5-8.5、7.5-8.0或8.0-9.0;
酶解时间为30-240min,具体为30min、60min、90min、120min、150min、180min、30-150min、60-150min、90-150min、120-150min、60-90min、60-120min、120-150min、30-120min或90-120min;
酶解温度为40-65℃,具体为40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、40-60℃、45-65℃、45-60℃、45-55℃、55-65℃、50-55℃或50-65℃。
所述离心步骤中,离心力为4000g-8000g,具体为7000g,时间为10-30min,具体为15min;
所述干燥步骤中,干燥方式为鼓风干燥、气流干燥、喷雾干燥、真空干燥和冷冻干燥中的至少一种。
该步骤应控制干燥后产物中的水分含量在10%以下。
上述方法的流程如图1所示。
本发明提供的提取膳食纤维的方法,以香料作物为原料,经Bligh-Dyer法提取出精油和油树脂后得到脱油香料,再利用剪切乳化辅助酶解法制备脱油香料膳食纤维。
该方法具有以下优点:
1、本方法与传统的化学分离法相比,提取条件温和,膳食纤维损失少,色泽好,产生的废液较少;
2、本方法与传统的酶解法相似,但消耗的酶液较少,产品纯度较高,以脱油孜然为原料提取膳食纤维,所得膳食纤维提取率为95.96%,纯度为81.63%;
3、剪切乳化辅助酶解法只需要剪切乳化设备、发酵罐等装置,无需增加新设备,易于产业化。
附图说明
图1为脱油孜然膳食纤维提取工艺流程图。
图2为脱油孜然剪切乳化前后对比图。
图3为脱油孜然剪切乳化前后粒径变化情况。
图4为喷雾干燥所得的脱油孜然膳食纤维照片。
图5为鼓风干燥所得的脱油孜然膳食纤维照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述,但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。本发明中所用酸性蛋白酶均为胃蛋白酶(Pepsin),批号P7000,酶活为2000U/mg,购于Sigma公司;所用中性蛋白酶均为木瓜蛋白酶(Papain),批号P3250,酶活为1.5U/mg,购于Sigma公司;所用碱性蛋白酶均为碱性蛋白酶(Alcalase),批号PLN05355,酶活为3000U/ml,购于Novozymes公司。
实施例1、剪切时间对膳食纤维提取率的影响:
1)用万能粉碎机将孜然磨成粉末,过40目筛,将100g孜然粉末、200ml氯仿、100ml甲醇以混合,振摇5min,抽滤,上清液在50℃下旋转蒸发,萃取出精油和油树脂,收集沉淀得到76.57g脱油孜然。
2)称取步骤1)所得脱油孜然5g和水按照1g∶35ml的比例加入到175ml水中,用剪切乳化设备在转速为7000r的条件下分别剪切10min、20min、30min、40min、50min、60min后,用酶活为3000U/ml的碱性蛋白酶Alcalase对脱油孜然中的蛋白进行酶解,酶与底物的质量比E/S为4∶100,酶解温度为55℃,酶解pH值为7.5,酶解时间为150min,得到酶解物,再将该酶解物在沸水浴中加热15min,以钝化酶的活性,再在离心力为7000g的条件下离心15min,去除上清液,保留底层沉淀,将沉淀用喷雾干燥方式干燥,使其水分控制在10%以下后,得到脱油孜然膳食纤维。
按照下式计算膳食纤维的提取率:
Y=W2*100%/W1(1)
其中W1、W2分别为原料和产品中膳食纤维(TDF)的质量。
所得结果见表1,由表可知,料液比为1g∶35ml时,脱油孜然膳食纤维的提取率随剪切时间的增加呈现先增加后降低的趋势,当剪切时间从10min增加到30min时,膳食纤维提取率增加较为明显,在30min时提取率最大,达到96.38%,当剪切时间进一步延长,膳食纤维提取率缓慢下降,从96.38%下降到92.87%,故剪切时间最优值为30min。
表1、剪切时间对膳食纤维提取率的影响
注:同一组内不同字母(a,b,c)表示存在显著性差异(P<0.05)。
实施例2、剪切转速对膳食纤维提取率的影响
按照实施例1的步骤1)和2),仅将剪切时间固定为30min,并将转速替换为4000r、5000r、6000r、7000r、8000r、9000r,得到脱油孜然膳食纤维,并计算膳食纤维的提取率。
所得结果见表2,由表可知,剪切转速在7000r时膳食纤维提取率达到最大值,为97.46%。
表2、剪切转速对膳食纤维提取率的影响
注:同一组内不同字母(a,b,c)表示存在显著性差异(P<0.05)。
图3所示为按实施例1的步骤,将剪切时间固定为30min,剪切转速固定为7000r,步骤1)所得脱油孜然剪切乳化前后粒径的变化情况。由图可知,剪切乳化可明显降低脱油孜然的粒径大小。
实施例3、酶解pH值对膳食纤维提取率的影响
按照实施例1的步骤1)和2),仅将剪切时间固定为30min,酶解pH值替换为7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5,得到脱油孜然膳食纤维,并计算膳食纤维的提取率。
所得结果见表3,由表可知,膳食纤维提取率随pH升高呈现先增加后降低的趋势,酶解pH值在7.5时膳食纤维提取率最大,为96.47%;当pH值继续增大,膳食纤维的提取率则有所下降。
表3、酶解pH值对膳食纤维提取率的影响
注:同一组内不同字母(a,b,c,d)表示存在显著性差异(P<0.05)。
实施例4、酶解温度对膳食纤维提取率的影响
按照实施例1的步骤1)和2),仅将剪切时间固定为30min,酶解温度替换为40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃,得到脱油孜然膳食纤维,并计算膳食纤维的提取率。
所得结果见表4,由表可知,当酶解温度为55℃时膳食纤维提取率最大,为95.29%。
表4、酶解温度对膳食纤维提取率的影响
注:同一组内不同字母(a,b,c,d)表示存在显著性差异(P<0.05)。
实施例5、酶与底物质量比(E/S)对膳食纤维提取率的影响
按照实施例1的步骤1)和2),仅将剪切时间固定为30min,酶与底物的质量比E/S替换为1%、2%、3%、4%、5%、6%,得到脱油孜然膳食纤维,并计算膳食纤维的提取率。
所得结果见表5,由表可知,酶与底物质量比(E/S)为4%时,膳食纤维提取率最大,为96.19%;当酶与底物质量比(E/S)继续增大,则对膳食纤维提取率影响不大。
表5、酶与底物浓度比(E/S)对膳食纤维提取率的影响
注:同一组内不同字母(a,b,c,d)表示存在显著性差异(P<0.05)。
实施例6、酶解时间对膳食纤维提取率的影响
按照实施例1的步骤1)和2),仅将剪切时间固定为30min,酶解时间替换为30min、60min、90min、120min、150min、180min,得到脱油孜然膳食纤维,并计算膳食纤维的提取率。
所得结果见表6,由表可知,膳食纤维提取率随酶解时间的延长呈持续上升的趋势,在150min以后逐渐趋于平缓,考虑成本和经济效益,优选150min。
表6、酶解时间对膳食纤维提取率的影响
注:同一组内不同字母(a,b,c,d)表示存在显著性差异(P<0.05)。
实施例7、提取脱油孜然膳食纤维
1)用万能粉碎机将孜然磨成粉末,过40目筛,将100g孜然粉末、200ml氯仿、100ml甲醇以混合,振摇5min,抽滤,上清液在50℃下旋转蒸发,萃取出精油和油树脂,收集沉淀得到脱油孜然,该产品的实物图如图2中左瓶所示。
2)取步骤1)所得脱油孜然5g和水按照1g∶35ml加入到175ml水中,用剪切乳化设备在7000r下剪切30min后,用酶活为3000U/ml的碱性蛋白酶Alcalase对脱油孜然中的蛋白进行酶解,酶与底物的质量比E/S为4∶100,酶解温度为55℃,酶解pH值为7.5,酶解时间为150min,得到酶解物,再将该酶解物在沸水浴中加热15min,以钝化酶的活性,再在离心力为7000g的条件下离心15min,所得离心后体系的实物图如图2中右瓶所示,去除上清液,保留底层沉淀,将沉淀用喷雾干燥方式干燥,使其水分控制在10%以下后,得到本发明提供的脱油孜然膳食纤维,该产品的实物图如图4所示。
按照与上相同方法,将步骤2)所得沉淀用鼓风干燥的方法进行干燥,所得脱油孜然膳食纤维的实物图如图5所示。
膳食纤维含量测定:参照AOAC 991.43方法进行。
具体方法为:称取脱油孜然膳食纤维粉末1.000±0.005g(精确到0.1mg)于100mL烧杯中,加入40mL MES-TRIS缓冲液,pH8.2,搅拌至分散均匀;加入50μL耐热α-淀粉酶液,磁力搅拌器低速搅拌,并于沸水浴中孵育30min后,冷却至60℃,10mL蒸馏水冲洗烧杯内壁上残渣;加入5mL 0.561M的HCl,并不断搅拌,后用1M的NaOH或HCl于60℃下调节pH值至4.0-4.7;加入100μL淀粉葡萄糖苷酶溶液,充分混匀,60℃下振荡孵育30min;加入100uL蛋白酶溶液,充分混匀,60℃下振荡孵育30min;向烧杯中加入225mL预热至60℃的95%乙醇(95%乙醇与待测混合液体积比4∶1),室温下沉淀1h;将乙醇沉淀后酶解液转移至坩埚中,用78%乙醇清洗烧杯中残渣,一并转入坩埚中抽滤,再分别用78%乙醇、95%乙醇和丙酮清洗坩埚2次,然后将坩埚置于105℃烘箱中放置过夜至恒重,记录坩埚及残渣重量(W2)。测定残渣中蛋白质、灰分的含量,其重量分别记为P、A。
结果计算:
膳食纤维含量(%)=100×(W2-W1)/W-P-A
W-样品重量,g;
W1-坩埚和硅藻土的重量,g;
W2-坩埚、硅藻土和残渣的重量,g;
P-残渣中蛋白质的含量,g/100g;
A-残渣中灰分的含量,g/100g。
注:在重复性条件下获得的两次独立测定结果的绝对差值不得超过算术平均值的5%。
测得该实施例所得脱油孜然膳食纤维中膳食纤维的含量为46.01g/100g(干重)。
按照如下方法测定该实施例所得脱油孜然膳食纤维中各组分的含量:
1、蛋白质含量测定:称取0.50g提取的脱油孜然膳食纤维粉末放入消化管中,加浓硫酸(浓度98%)10ml,消化温度420℃,时间1.5小时,用凯氏定氮仪测定膳食纤维中的蛋白质含量(瑞典Foss公司KIELTEC ANALYSISER凯氏定氮仪)。
2、脂肪测定:称取1.0g提取的脱油孜然膳食纤维粉末放置在洁净的纸套筒中,加入少量脱脂棉,在浸提烧杯中加80ml石油醚,用福斯特卡托公司Soxtec Avanti 2050自动脂肪检测仪提取样品中脂肪。浸提结束后,取出提取杯,并将提取杯置于100℃干燥箱中30分钟,在干燥器中冷却再称重,计算脂肪含量。
W1-浸提前样品重量,g;
W2-浸提干燥后脂肪重量,g。
3、水分测定:水分测定采用GB 5009.3-2010。取洁净铝制称量瓶,置于101℃~105℃干燥箱中,瓶盖斜支于瓶边,加热1.0h,取出盖好,置干燥器内冷却0.5h,称量,并重复干燥至前后两次质量差不超过2mg,即为恒重。称取混合均匀的脱油孜然膳食纤维粉末3g~5g(精确至0.0001g),放称量瓶中,试样厚度不超过5mm,加盖,精密称量后,置101℃~105℃干燥箱中,瓶盖斜支于瓶边,干燥2h~4h后,盖好取出,放入干燥器内冷却0.5h后称量。然后再放入101℃~105℃干燥箱中干燥1h左右,取出,放入干燥器内冷却0.5h后再称量。并重复以上操作至前后两次质量差不超过2mg,即为恒重。
结果计算
水分含量(%)=100×(m1-m2)/(m3-m2)
式中:
m1——称量瓶和试样的质量,g;
m2——称量瓶和试样干燥后的质量,g;
m3——称量瓶的质量,g。
水分含量≥1g/100g时,计算结果保留三位有效数字;水分含量<1g/100g时,结果保留两位有效数字。
注:两次恒重值在最后计算中,取最后一次的称量值。
4、灰分测定:灰分测定参照GB 5009.4-2010的方法。具体步骤为:取大小适宜的瓷坩埚置马弗炉中,在550℃±25℃下灼烧0.5h,冷却至200℃左右,取出,放入干燥器中冷却30min,准确称量。重复灼烧至前后两次称量相差不超过0.5mg为恒重。然后,取3g~10g(精确至0.0001g)样品置于瓷坩埚中,先在电热板上以小火加热使样品充分炭化至无烟,然后置于马弗炉中,在550℃±25℃灼烧4h。冷却至200℃左右,取出,放入干燥器中冷却30min,称量前如发现灼烧残渣有炭粒时,应向试样中滴入少许水湿润,使结块松散,蒸干水分再次灼烧至无炭粒即表示灰化完全,方可称量。重复灼烧至前后两次称量相差不超过0.5mg为恒重。按下式计算。
X1=100×(m1-m2)/(m3-m2)
X1-试样中灰分含量,g/100g;
m1-坩埚和灰分的质量,g;
m2-坩埚的质量,g;
m3-坩埚和试样的质量,g。
注:在重复性条件下获得的两次独立测定结果的绝对差值不得超过算术平均值的5%。
5、淀粉测定:按照AOAC996.11的方法测定。取磨碎的样品(10mg)加入到玻璃试管中(16*120mm),轻敲试管,以确保所有的样品都落到试管底部;添加0.2ml80%乙醇到样品中增加其溶解性,用涡旋混合器混匀;立即加入3ml的耐高温α-淀粉酶(bottel 1稀释成1∶30的试剂1;100mM醋酸钠缓冲液,pH5.0),在沸水浴中孵育6min(在第2、4、6min大力震荡试管);加入0.ml bottle2(淀粉葡萄糖酶,330U淀粉),用涡旋混合器混匀,50℃下水浴30min;将全部试验的试管转移到100ml容量瓶中,用洗瓶彻底冲洗干净,用蒸馏水定容,混匀,等分溶液在3000r下离心10min;转移等分(0.1ml)后的稀释溶液到玻璃试管中;添加3ml的GOPOD试剂到每个试管中(包括D-葡萄糖控制组和空白组),50℃下水浴20min;D-葡萄糖控制组包括0.1mlD-葡萄糖溶液和3.0ml GOPOD试剂,空白组包括0.1ml水合3.0ml GOPOD试剂;在510nm下测定样品、D-葡萄糖控制组和空白组的吸光度。按下述公式进行计算:
淀粉含量(%)=(A1-A2)*(F/W)*FV*0.9
A1-样品的吸光度;
A2-空白组的吸光度;
F-100/控制组的吸光度;
W-样品重量,g;
FV-最终定容的体积,ml。
上述结果见表8所示。
表8、脱油孜然膳食纤维产品的基本化学组成(%)
Claims (10)
1.一种提取膳食纤维的方法,包括如下步骤:
1)将香料作物粉碎后,用亲脂性有机溶剂和亲水性有机溶剂同时进行萃取,萃取完毕收集沉淀,得到脱油香料;
2)将步骤1)所得脱油香料与水混合进行剪切乳化,再进行酶解,将所得酶解物在沸水浴中加热后,离心,去除上清液,干燥沉淀,得到所述膳食纤维。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤1)中,香料作物选自孜然、茴香、孜然秸秆、茴香秸秆、花椒、桂皮、香柠檬和薄荷中的至少一种;或,
所述粉碎步骤中,粉碎后的目数为30-70目,具体为40目;或,
所述亲脂性有机溶剂选自氯仿、石油醚、正己烷和乙醚中的至少一种;或,
所述亲水性有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于:所述步骤1)中,粉碎后的香料作物∶亲脂性有机溶剂∶亲水性有机溶剂的用量比为1-5g∶2-10ml∶1-5ml,具体为1g∶2ml∶1ml。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法,其特征在于:所述步骤2)加热步骤中,时间为10-15min,具体为15min;或,
所述脱油香料与水的用量比为1g∶15ml-40ml,具体为1g∶35ml。
5.根据权利要求1-4任一所述的方法,其特征在于:所述步骤2)剪切乳化步骤中,转速为4000-9000r,具体为7000r;或,
时间为10-60min,具体为30min。
6.根据权利要求1-5任一所述的方法,其特征在于:所述步骤2)酶解步骤中,所用酶为蛋白酶,具体选自酸性蛋白酶、中性蛋白酶和碱性蛋白酶中的至少一种,具体为碱性蛋白酶Alcalase。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:所述酸性蛋白酶的酶活为800-2500U/mg,具体为2000U/mg;或,
所述中性蛋白酶的酶活为0.5-2U/mg,具体为1.5U/mg;或,
所述碱性蛋白酶的酶活为5-100000U/ml,具体为3000U/ml。
8.根据权利要求1-7任一所述的方法,其特征在于:所述酶与底物的质量比为1-6∶100,具体为4∶100;所述底物为剪切乳化处理后所得产物。
9.根据权利要求1-8任一所述的方法,其特征在于:所述酶解步骤中,pH值为7.0-9.5,具体为7.5;或,
酶解时间为30-240min,具体为150min;或,
酶解温度为40-65℃,具体为55℃。
10.根据权利要求1-9任一所述的方法,其特征在于:所述离心步骤中,离心力为4000g-8000g,具体为7000g,时间为10-30min,具体为15min;或,
所述干燥步骤中,干燥方式为鼓风干燥、气流干燥、喷雾干燥、真空干燥和冷冻干燥中的至少一种。
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