CN109207458A - 耐热型中温α-淀粉酶及其应用 - Google Patents

耐热型中温α-淀粉酶及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供耐热型中温α‑淀粉酶及其应用,所述酶是在BAA编码基因的氨基酸序列上,第187位丝氨酸突变为天冬氨酸,第190位天冬酰胺突变为苯丙氨酸,第286位缬氨酸突变为异亮氨酸,第290位苯丙氨酸突变为谷氨酸。采用耐热性能等评价方法筛选获得耐热性能显著提升的突变体。建立新突变体的高效产酶工艺,并结合新突变体酶品的催化特征,合理组合普鲁兰酶、β‑淀粉酶和α‑葡萄糖苷酶建立快速制备低聚异麦芽糖的工艺。同时结合家用电磁炉、微波炉等加热电器的特点,形成了家用型低聚异麦芽糖的快速制备方法。

Description

耐热型中温α-淀粉酶及其应用
技术领域
本发明属于生物技术领域,具体涉及耐热型中温α-淀粉酶及其应用。
背景技术
低聚异麦芽糖 (Isomaltooligosaccharides,简称IMOs),又称分枝低聚糖、异麦芽低聚糖等,是葡萄糖之间至少有一个以α-1,6 糖苷键结合而成的、单糖数为2~5不等的一类低聚糖。它的主要成分是异麦芽糖(IG2)、潘糖(P)、异麦芽三糖(IG3)及异麦芽四糖(Gn)等。低聚异麦芽糖可以被肠道中的双歧杆菌、乳酸杆菌等有益菌代谢利用生成短链脂肪酸,降低肠道的pH,抑制有害菌的生长,维持肠道微生态的平衡,所以又称功能性低聚糖。
生产IMOs 的经典方法主要以淀粉为原料,采用淀粉酶系多酶协同法转化淀粉液得到。工业上首先由淀粉在高温α-淀粉酶的作用下液化,液化淀粉在普鲁兰酶和β-淀粉酶继续作用下生成麦芽糖浆,再利用α-葡萄糖转苷酶进行糖基转换生成IMOs,终产物糖类组分中约含有50%-60%的IMOs,40%-50%的葡萄糖、麦芽糖及麦芽三糖,最后经过滤、脱色、脱盐、浓缩等得到成品。工业生产过程中使用的α-葡萄糖苷酶制剂,主要依赖进口,价格昂贵,即使使用国产α-葡萄糖苷酶制剂也会为了控制生产成本减少α-葡萄糖苷酶的添加量,最终导致IMOs工业化规模生产周期普遍在60h以上。
本发明在IMOs的工业化生产工艺基础上创新性的引入了中温α-淀粉酶和蒸煮工艺,建立快速制备IMOs的新方法。并通过基因改良获得了耐热型中温α-淀粉酶的编码基因及生产菌种,建立了生产周期大幅度缩短的IMOs生产工艺。同时通过采用简易家用电器蒸煮的方法和合理优化α-葡萄糖苷酶的添加量将满足国标要求的IMOs产品制作周期缩短至4h。本发明提供的方法既可以满足工业化规模下高效生产IMOs产品,也可以满足家庭自助式餐饮型IMOs产品的制作。
发明内容
本发明的目的在于提供耐热型中温α-淀粉酶及其应用,通过基因改良获得了耐热型中温α-淀粉酶的编码基因及生产菌种,建立了生产周期大幅度缩短的IMOs生产工艺。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
以中温α-淀粉酶优良产生菌的关键酶编码基因为模板,采用易错PCR等的方法建立突变率较高的突变体文库,采用耐热性能等评价方法筛选获得耐热性能显著提升的突变体。建立新突变体的高效产酶工艺,并结合新突变体酶品的催化特征,合理组合普鲁兰酶、β-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶建立快速制备低聚异麦芽糖的工艺。同时结合家用电磁炉、微波炉等加热电器的特点,形成了家用型低聚异麦芽糖的快速制备方法。
进一步的,耐热型中温α-淀粉酶,其特征在于:所述酶是在BAA编码基因的氨基酸序列上,第187位丝氨酸突变为天冬氨酸,第190位天冬酰胺突变为苯丙氨酸,第286位缬氨酸突变为异亮氨酸,第290位苯丙氨酸突变为谷氨酸。
所述耐热型中温α-淀粉酶的氨基酸序列如 SEQ ID NO.1所示,编码所述酶的核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示。
进一步地,本发明中的相关酶催化淀粉制备低聚异麦芽糖(IG2+P+IG3)占干物质比重高于45%~55%的低聚异麦芽糖浆。
更进一步地本发明中的中温α-淀粉酶是用易错PCR等方法获得的突变体,也可以是用类似方法获得的耐热性能提升的突变体。
更进一步地本发明中的淀粉液化过程,以获得的耐热型中温α-淀粉酶一种或与普鲁兰酶、β-淀粉酶组合使用催化的过程。
更进一步地本发明中的淀粉液化过程,可以是直接加热沸腾,也可以是恒温高温液化。
更进一步地本发明中的淀粉液化过程,其DE(水解度)可以达到5~50。
更进一步地本发明中的液化后的糖液制备低聚异麦芽糖的快速催化过程,是多种酶同时共同作用的结果;或其中的新型中温α-淀粉酶、β-淀粉酶和普鲁兰酶先行作用,最后α-葡萄糖苷酶再进行转苷作用的结果;或是其中的新型中温α-淀粉酶和普鲁兰酶先行作用,然后β-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶再进行催化的结果;或是四个酶按普鲁兰酶、新型中温α-淀粉酶、β-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的先后顺序分步完成催化的结果。
具体方法如下:配置质量浓度不超过25%的淀粉乳,加入9000 U/g中温α-淀粉酶,加量为5g/250g干淀粉,采用简易家用电器将淀粉醪液加热至沸腾,10min完成液化,淀粉醪液冷却至50℃-55℃,加入料包2,加酶量为3g/250g干淀粉,其中2g料包2中含有普鲁兰酶0.18g(400 U/g)、β-淀粉酶0.51g(70万U/g)、α-葡萄糖苷酶1.39g(36万U/g),使用采用简易家用电器间歇加热,使温度维持在50℃-60℃,维持3~4h制得低聚异麦芽三糖占总糖含量40%以上的糖浆。
本发明的目的是通过合理搭配各种淀粉水解酶的组合方式,并基于家用电器的特点,形成了在家中完成的低聚异麦芽糖制作过程。其中涉及到的复合酶包括多种淀粉水解酶,如中温α-淀粉酶、β-淀粉酶、普鲁兰酶和α-葡萄糖苷酶等,并结合复合酶的特点和家用电器的工作特征,并简洁易行,乐趣无限的高品质低聚异麦芽糖DIY产品的快速制作技术。
本发明的优点在于:
1、本发明提供了一种以淀粉为原料快速制备高品质低聚异麦芽糖的制造技术,所制备的低聚异麦芽糖核心组成(IG2+P+IG3)占干物质的比例达到45%~55%甚至更高达59-65%;
2、本发明的低聚异麦芽糖的制造技术所涉及的新型中温α-淀粉酶、β-淀粉酶、普鲁兰酶和α-葡萄糖苷酶采用了新型表达和组合表达方式,具有显著催化性能;
3、本发明的低聚异麦芽糖的制造技术所涉及的新型中温α-淀粉酶是通过易错PCR等技术方法获得的突变体,突变体呈现耐热性能提升等特征。
4、本发明的淀粉液化过程采用快速简便的制备过程;
5、本发明的液化糖浆可以同时或分步地条件下,快速实现低聚异麦芽糖浆的制备过程。
6、本发明家庭简易制备低聚异麦芽糖的方法快速易操作。
附图说明
图 1.突变体BAAT43与BAA编码基因核苷酸序列比对。
图 2.突变体BAAT43与BAA编码基因氨基酸序列比对。
图 3.中温α-淀粉酶参与下快速制备IMOs糖浆的HPLC图谱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步说明;下述实施例并不限定本发明,不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
技术方案:
1. 以工业生产菌株Bacillus amyloliquefaciens中温α-淀粉酶基因baa为模板,质粒pND-113为表达载体,构建重组质粒pND-BAA,分别对易错PCR和大肠杆菌电转化条件进行优化,建立丰富的目标基因突变体库。
2. 建立了80℃条件下以酶活力为参数的筛选体系,通过平板筛选法和摇瓶发酵法对突变库进行筛选,获得耐热性能显著提升的突变体。
3. 提取pND-BAA及其含突变体编码基因的重组质粒,转化地衣芽胞杆菌B. licheniformis D402,获得重组菌,制备重组酶,对重组酶进行分离纯化后获得纯酶,对纯酶的酶学性质进行研究。
4. 针对突变体酶学特性和重组菌产酶特性建立高效产酶工艺。
5. 组合获得的耐热型中温α-淀粉酶与β-淀粉酶、普鲁兰酶和α-葡萄糖苷酶的合理搭配使用,并采用简易家用电器如电磁炉、微波炉等实现家用型IMOs产品的制作。
具体实施案例如下
实施例1 BAA体外突变及突变库的构建
以工业生产菌株Bacillus amyloliquefaciens中温α-淀粉酶基因baa(牛丹丹, 靳晓,吴海洋, 刘晓光, 林娟, 叶秀云*. 解淀粉芽胞杆菌α-淀粉酶高活力突变体的创建与性质. 食品与发酵工业,2017, 43(10):24-29.)为模板,质粒pND-113为表达载体,构建重组质粒pND-BAA,分别对易错PCR和大肠杆菌电转化条件进行了优化,确定适合于baa的突变条件为6.5 mmol/L Mg2+,0.5 mmol/L Mn2+,电转化制备感受态最好的OD600为0.5-0.7,最佳电压条件为1.8 KV。在此突变条件下构建突变库,完成了对约2×104个转化子的筛选,同时对突变库的效率进行分析:基因突变频率为56%,基因突变效率为2.8/kb DNA,错义突变26.8%,基本满足筛选需要。
实施例2 耐热性能显著提高的BAA突变体的筛选及酶学性质研究
建立了以80℃条件下酶活力为参数的筛选体系,通过平板筛选法和摇瓶发酵法对突变库进行筛选,最终筛选得到4株酶活力高于原始菌BAA 25%的突变体,其中酶活力提高最多的是突变体BAAT43,对4株突变体所产突变酶进行基本酶学性质研究发现:4种突变酶的最适pH,pH稳定性与BAA基本一致,在70℃条件下对重组酶进行热稳定性的测定表明,与BAA相比,突变酶BAAT43的热稳定性有明显提高。序列分析表明,突变酶BAAT43 有4个氨基酸发生了改变,包括S187D、N190F、V286I和F290E。突变酶的三维结构模拟显示,F290E位于催化残基的(β/α)8结构域上,该突变位点由Phe突变为Glu,且突变亦增加了一个额外氢键,有助于稳定该结构。检测获得的耐热型中温α-淀粉酶的氨基酸序列如 SEQ ID NO.1所示,编码所述酶的核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示。
实施例3 BAA和BAAT43编码基因在地衣芽孢杆菌的异源表达及纯酶酶学性质研究
提取重组质粒pND-BAA和pND-BAAT43电转化地衣芽孢杆菌B. licheniformis D402,获得重菌D402(pND-BAA)和D402(pND-BAAT43),经摇瓶发酵制备重组酶。重组酶经分离纯化后获得纯酶,对纯酶的酶学性质研究表明,BAA和BAAT43的最适反应pH均为6.0; BAA和BAAT43最适反应温度均为60℃,但突变体BAAT43作用范围较宽为在60-80℃,此范围酶活力维持75%以上,且与BAA相比,BAAT43的热稳定性有明显提高, 其在70℃下保温1h, 仍保持60%以上的酶活力,而 BAA在同等条件下已几乎没有酶活力,突变体BAAT43的热稳定性明显优于BAA;BAAT43的比酶活是131.36U/mg,与BAA相比,比酶活提高30%左右;经薄层层析分析:突变体BAAT43的酶解方式与BAA相比,在TLC检验中没有明显差异。
实施例4: 15 L发酵体系下BAA T43菌种制备新型中温α-淀粉酶
将转化获得的菌种BAAT43接种到种子培养基(酵母膏3~5%,蛋白胨3.8~6.2%,葡萄糖10~20%,其余为水,pH 7.0)培养到对数生长期,进一步在15 L发酵罐中进行发酵实验,发酵培养基为(w/v):豆饼粉2-4%,乳糖10%,碳酸钙1.4%,发酵过程中用硫酸或氨水控制pH为7.0。以5%的接种量接种,37℃、发酵100 h~120 h后,此菌株产生新型中温α-淀粉酶的酶活水平达到1800-2300 U/mL。
实施例5: 在30 m3体系下菌种BAAT43发酵制备新型中温α-淀粉酶
将实施例4的工艺调整为30 m3发酵体系对应的比例。分别完成种子培养,接种15 L一级种子罐,移种3 m3二级种子罐,主发酵罐移种等操作后,培养菌体,发酵过程中用硫酸或氨水控制pH为7.0, 100~120 h后发酵结束。发酵液经板框过滤除去菌体,超滤膜浓缩酶液至合适浓度,添加辅助制剂后精滤制备新型中温α-淀粉酶液体成品,或添加适量食品级淀粉后喷雾干燥制备粉末剂型新型中温α-淀粉酶成品,成品酶活为9000 U/g~9300 U/g。
实施案例6:30m3体系快速制备低聚异麦芽糖
淀粉液化和糖化:加入4.5t淀粉到装有10m3水的发酵罐中(边加入淀粉,边搅拌),将淀粉乳搅拌均匀后加入一定量的水,在发酵罐中定容到18m3,调节pH至6.0。将淀粉乳加热至70~80℃,加入新型中温α-淀粉酶500 L(9000 U/ml),继续加热淀粉醪液至沸腾,自然冷却至50℃~60℃,加入普鲁兰酶40.5L(1000 U/ml)、β-淀粉酶3.2 L(70万U/ml)、α-葡萄糖苷酶6.25kg(36万U/g),维持反应温度在50℃~60℃,反应4~5 h即可得到低聚异麦芽糖(IG2+P+IG3)占干物质含量为45%~55%的糖浆。
实施例7 电磁炉加热的家用型IMOs制作
淀粉的液化和糖化:使用矿泉水或者纯净水配置质量浓度不超过25%的淀粉乳,加入料包1,加量为5g/250g干淀粉(料包1为新型中温温α-淀粉酶3.75g(9000 U/g)),使用电磁炉将淀粉醪液加热至沸腾,10min左右完成液化,淀粉醪液冷却50℃-55℃,加入料包2,加酶量为3g/250g干淀粉(其中2g料包2中含有普鲁兰酶0.18g(442U/g)、β-淀粉酶0.51g(70万U/g)、α-葡萄糖苷酶1.39g(36万U/g)),使用电磁炉间歇加热使温度维持在50℃-60℃,维持3~4h制得低聚异麦芽三糖占总糖含量70%以上的糖浆。
实施例8 微波炉加热的家用型IMOs制作
淀粉的液化和糖化:使用矿泉水或者纯净水配置质量浓度不超过25%的淀粉乳,加入料包1,加量为5g/250g干淀粉(料包1为新型中温α-淀粉酶3.75g(9000 U/g)),使用微波炉将淀粉醪液加热至沸腾10min左右完成液化,淀粉醪液冷却至50℃-55℃,加入料包2,加酶量为3g/250g干淀粉(其中2g料包2中含有普鲁兰酶0.18g(400 U/g)、β-淀粉酶0.51g(70万U/g)、α-葡萄糖苷酶1.39g(36万U/g)),使用微波炉间歇加热(每间隔20min加热3min),使温度维持在50℃-60℃,维持3~4h制得低聚异麦芽三糖占总糖含量55%以上的糖浆。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
SEQUENCE LISTING
<110> 福州大学
<120> 耐热型中温α-淀粉酶及其应用
<130> 2
<160> 2
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 483
<212> PRT
<213> 人工序列
<400> 1
Val Asn Gly Thr Leu Met Gln Tyr Phe Glu Trp Tyr Thr Pro Asn Asp
1 5 10 15
Gly Gln His Trp Lys Arg Leu Gln Asn Asp Ala Asp His Leu Ser Asp
20 25 30
Ile Gly Ile Thr Ala Val Trp Ile Pro Pro Ala Tyr Lys Gly Leu Ser
35 40 45
Gln Ser Asp Asn Gly Tyr Gly Pro Tyr Asp Leu Tyr Asp Leu Gly Glu
50 55 60
Phe Gln Gln Lys Gly Thr Val Arg Thr Lys Tyr Gly Thr Lys Ser Glu
65 70 75 80
Leu Gln Asp Ala Ile Gly Ser Leu His Ser Arg Asn Val Gln Val Tyr
85 90 95
Gly Asp Val Val Leu Asn His Lys Ala Gly Ala Asp Ala Thr Glu Asp
100 105 110
Val Thr Ala Val Glu Val Asn Pro Ala Asn Arg Asn Gln Glu Thr Ser
115 120 125
Glu Glu Tyr Gln Ile Lys Ala Trp Thr Asp Phe Arg Phe Pro Gly Arg
130 135 140
Gly Asn Thr Tyr Ser Asp Phe Lys Trp His Trp Tyr His Phe Asp Gly
145 150 155 160
Ala Asp Trp Asp Glu Ser Arg Lys Ile Ser Arg Ile Phe Lys Phe Arg
165 170 175
Gly Glu Gly Lys Ala Trp Asp Trp Glu Val Asp Ser Glu Phe Gly Asn
180 185 190
Tyr Asp Tyr Leu Met Tyr Ala Asp Val Asp Tyr Asp His Pro Asp Val
195 200 205
Val Ala Glu Thr Lys Lys Trp Gly Ile Trp Tyr Ala Asn Glu Leu Ser
210 215 220
Leu Asp Gly Phe Arg Ile Asp Ala Ala Lys His Ile Lys Phe Ser Phe
225 230 235 240
Leu Arg Asp Trp Val Gln Ala Val Arg Gln Ala Thr Gly Lys Glu Met
245 250 255
Phe Thr Val Ala Glu Tyr Trp Gln Asn Asn Ala Gly Lys Leu Glu Asn
260 265 270
Tyr Leu Asn Lys Thr Ser Phe Asn Gln Ser Val Phe Asp Ile Pro Leu
275 280 285
His Glu Asn Leu Gln Ala Ala Ser Ser Gln Gly Gly Gly Tyr Asp Met
290 295 300
Arg Arg Leu Leu Asp Gly Thr Val Val Ser Arg His Pro Glu Lys Ala
305 310 315 320
Val Thr Phe Val Glu Asn His Asp Thr Gln Pro Gly Gln Ser Leu Glu
325 330 335
Ser Thr Val Gln Thr Trp Phe Lys Pro Leu Ala Tyr Ala Phe Ile Leu
340 345 350
Thr Arg Glu Ser Gly Tyr Pro Gln Val Phe Tyr Gly Asp Met Tyr Gly
355 360 365
Thr Lys Gly Thr Ser Pro Lys Glu Ile Pro Ser Leu Lys Asp Asn Ile
370 375 380
Glu Pro Ile Leu Lys Ala Arg Lys Glu Tyr Ala Tyr Gly Pro Gln His
385 390 395 400
Asp Tyr Ile Asp His Pro Asp Val Ile Gly Trp Thr Arg Glu Gly Asp
405 410 415
Ser Ser Ala Ala Lys Ser Gly Leu Ala Ala Leu Ile Thr Asp Gly Pro
420 425 430
Gly Gly Ser Lys Arg Met Tyr Ala Gly Leu Lys Asn Ala Gly Glu Thr
435 440 445
Trp Tyr Asp Ile Thr Gly Asn Arg Ser Asp Thr Val Lys Ile Gly Ser
450 455 460
Asp Gly Trp Gly Glu Phe His Val Asn Asp Gly Ser Val Ser Ile Tyr
465 470 475 480
Val Gln Lys
<210> 2
<211> 1452
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 2
gtaaatggca cgctgatgca gtattttgaa tggtatacgc cgaacgacgg ccagcattgg 60
aaacgattgc agaatgatgc ggaccattta tcggatatcg gaatcactgc cgtctggatt 120
cctcccgcat acaaaggatt gagccaatcc gataacggat acggacctta tgatttgtat 180
gatttaggag aattccagca aaaagggacg gtcagaacga aatacggcac aaaatcagag 240
cttcaagatg cgatcggctc actgcattcc cggaacgtcc aagtatacgg agatgtggtt 300
ttgaatcata aggctggtgc tgatgcaaca gaagatgtaa ctgccgtcga agtcaatccg 360
gccaatagaa atcaggaaac ttcggaggaa tatcaaatca aagcgtggac ggattttcgt 420
tttccgggcc gtggaaacac gtacagtgat tttaaatggc attggtatca tttcgacgga 480
gcggactggg atgaatcccg gaagatcagc cgcatcttta agtttcgtgg ggaaggaaaa 540
gcgtgggatt gggaagtaga tagtgaattt ggcaactatg actatttaat gtatgctgat 600
gttgactacg accaccctga tgtcgtggca gagacaaaaa aatggggtat ctggtatgcg 660
aatgaactgt cattagacgg cttccgtatt gatgccgcca aacatattaa attttcattt 720
ctgcgtgatt gggttcaggc ggtcagacag gcgacgggaa aagaaatgtt tacggttgcg 780
gagtattggc agaataatgc cgggaaactc gaaaactact tgaataaaac aagctttaat 840
caatccgtgt ttgatattcc gcttcatgag aatttacagg cggcttcctc acaaggaggc 900
ggatatgata tgaggcgttt gctggacggt accgttgtgt ccaggcatcc ggaaaaggcg 960
gttacatttg ttgaaaatca tgacacacag ccgggacagt cattggaatc gacagtccaa 1020
acttggttta aaccgcttgc atacgccttt attttgacaa gagaatccgg ttatcctcag 1080
gtgttctatg gggatatgta cgggacaaaa gggacatcgc caaaggaaat tccctcactg 1140
aaagataata tagagccgat tttaaaagcg cgtaaggagt acgcatacgg gccccagcac 1200
gattatattg accacccgga tgtgatcgga tggacgaggg aaggtgacag ctccgccgcc 1260
aaatcaggtt tggccgcttt aatcacggac ggacccggcg gatcaaagcg gatgtatgcc 1320
ggcctgaaaa atgccggcga gacatggtat gacataacgg gcaaccgttc agatactgta 1380
aaaatcggat ctgacggctg gggagagttt catgtaaacg atgggtccgt ctccatttat 1440
gttcagaaat aa 1452

Claims (5)

1.耐热型中温α-淀粉酶,其特征在于:所述酶是在BAA编码基因的氨基酸序列上,第187位丝氨酸突变为天冬氨酸,第190位天冬酰胺突变为苯丙氨酸,第286位缬氨酸突变为异亮氨酸,第290位苯丙氨酸突变为谷氨酸。
2.根据权利要求1所述的耐热型中温α-淀粉酶,其特征在于:所述耐热型中温α-淀粉酶的氨基酸序列如 SEQ ID NO.1所示,编码所述酶的核苷酸序列如SEQ ID NO.2所示。
3.如权利要求1或2所述的耐热型中温α-淀粉酶在制备功能型低聚异麦芽糖中的应用。
4.根据权利要求3所述的应用,其特征在于:将耐热型中温α-淀粉酶与β-淀粉酶、普鲁兰酶和α-葡萄糖苷酶结合,并采用简易家用电器进行加热反应,最终获得低聚异麦芽三糖占总糖含量40%以上的糖浆。
5.根据权利要求3所述的应用,其特征在于:具体方法如下:配置质量浓度不超过25%的淀粉乳,加入9000 U/g中温α-淀粉酶,加量为5g/250g干淀粉,采用简易家用电器将淀粉醪液加热至沸腾,10min完成液化,淀粉醪液冷却至50℃-55℃,加入料包2,加酶量为3g/250g干淀粉,其中2g料包2中含有普鲁兰酶0.18g(400 U/g)、β-淀粉酶0.51g(70万U/g)、α-葡萄糖苷酶1.39g(36万U/g),使用采用简易家用电器间歇加热,使温度维持在50℃-60℃,维持3~4h制得低聚异麦芽三糖占总糖含量40%-55%的糖浆。
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