CN111269515B - 一种具有抑菌功能的可降解薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有抑菌功能的可降解薄膜及其制备方法,通过利用羟丙基‑β‑环糊精(HP‑β‑CD)对月桂酸单甘油酯(GML)进行包合,再将具有抗菌特性的月桂酸单甘油酯包合物(GML/HP‑β‑CD)加入壳聚糖/聚乙烯醇(CS/PVA)薄膜体系中共混,制备得到一种复合抑菌功能因子月桂酸单甘油酯的聚乙烯醇‑壳聚糖生物基薄膜,可用于冷鲜肉及生鲜水产的储运与销售,抑制有害微生物,最大限度保持生鲜类食品原有的品质和商品价值。
Description
技术领域
本发明涉及保鲜薄膜材料技术领域,具体地说,涉及一种具有抑菌功能的可降解薄膜及其制备方法。
背景技术
冷藏条件下储藏的冷鲜肉及生鲜水产品,由于水分没有结冰,容易腐败变质。而我国的冷鲜肉包装简单,在贮藏和运输过程中会直接或间接受到氧气、光照等环境因素的影响,且冷藏环境并不能完全抑制嗜冷微生物的生长,极易发生汁液流失、表面发黏和发霉变色等腐败变质现象,不仅影响其商业价值、还造成资源浪费。
随着人民生活水平的提高,消费者对肉类的质量及卫生要求越来越高,为解决冷鲜肉及生鲜水产在加工、储运、销售等各个环节的微生物污染问题,越来越多的学者开始广泛关注以“绿色、环保、可再生、易降解”著称的生物基抑菌材料。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题,本发明的目的是提供一种具有抑菌功能的可降解薄膜及其制备方法,该薄膜可作为具有高效抑菌作用的绿色无毒抗菌薄膜包装材料,应用于冷鲜肉及生鲜水产品的储存与运输,最大限度保持生鲜类食品原有的品质和商品价值。
为了实现本发明目的,本发明的技术方案如下:
第一方面,本发明提供一种具有抑菌功能的可降解薄膜的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
(1)利用羟丙基-β-环糊精(HP-β-CD)对月桂酸单甘油酯(GML)进行包合,得到月桂酸单甘油酯的包合物(GML/HP-β-CD包合物);
(2)以所述月桂酸单甘油酯的包合物(GML/HP-β-CD包合物)、壳聚糖(CS)和聚乙烯醇(PVA)为原料制备成膜液,使成膜液在80~100℃真空干燥条件下发生酰胺化和美拉德反应,得到所述具有抑菌功能的可降解薄膜(GML/HP-β-CD/CS/PVA薄膜)。
进一步地,在上述步骤(1)中,所述羟丙基-β-环糊精与所述月桂酸单甘油酯的摩尔用量比为1:1。
更为具体地,步骤(1)包括以下步骤:
S1:将羟丙基-β-环糊精和月桂酸单甘油酯分别溶于水和乙醇中,将二者按照1:1的摩尔用量比,在60℃、400r/min条件下包合,包合时间为1h;
S2:将S1所得样品置于旋转蒸发仪上,减压,于70~80℃将乙醇完全挥干,过程中不再出现泡沫,然后升温至80~90℃,将样品完全蒸干,真空干燥,即得月桂酸单甘油酯的包合物。
进一步地,步骤(2)包括以下步骤:
s1:将壳聚糖、聚乙烯醇和适量甘油溶于0.17%的冰醋酸溶液中,搅拌均匀,加热灭菌并使物料溶解于溶液中;
其中,每100mL 0.2%的冰醋酸溶液中,壳聚糖0.315g、聚乙烯醇6.52g,甘油3mL;
s2:向s1所得溶液中添加所述月桂酸单甘油酯的包合物,80℃水浴条件下搅拌均匀;
其中,所述月桂酸单甘油酯的包合物的添加量为s1所得溶液总质量的0.10%~0.20%(w/w);
s3:将s2处理后的溶液加热灭菌并使物料完全溶解于溶液中;
s4:将s3所得溶液通过超声处理除去气泡,制备成膜液;
s5:将所述成膜液倒入用于薄膜浇铸的玻璃板中,并在25℃下干燥至玻璃板恒重,室温晾干后揭膜;
s6:将s5揭膜的薄膜再次置于真空干燥箱中,于80~100℃下干燥12h。
更为具体地,步骤(2)包括以下步骤:
s1:将壳聚糖、聚乙烯醇和甘油溶于0.2%的冰醋酸溶液中,以800r/min的速度搅拌均匀,置于灭菌锅内121℃条件下加热溶解30min;
s2:向s1所得溶液中添加所述月桂酸单甘油酯的包合物和甘油,80℃水浴条件下以800r/min的速度搅拌1h;
s3:将s2处理后的溶液置于灭菌锅内121℃条件下加热15min,使其完全溶解;
s4:将s3所得溶液通过超声30min除去气泡,制备成膜液;
s5:将所述成膜液倒入用于薄膜浇铸的玻璃板中,并在25℃下干燥2d直至玻璃板恒重,室温晾干后揭膜;
s6:将s5揭膜的薄膜再次置于真空干燥箱中,控制真空度为0.1atm,于80~100℃下干燥12h。
第二方面,本发明提供一种具有抑菌功能的可降解薄膜,所述可降解薄膜为含有月桂酸单甘油酯的改性聚乙烯醇薄膜。
进一步地,所述可降解薄膜中的月桂酸单甘油酯由羟丙基-β-环糊精包埋;所述改性聚乙烯醇薄膜由壳聚糖和聚乙烯醇交联改性。
进一步地,所述具有抑菌功能的可降解薄膜由本发明前述制备方法制备而成。
本发明涉及到的原料或试剂均为普通市售产品,涉及到的操作如无特殊说明均为本领域常规操作。
在符合本领域常识的基础上,上述各优选条件,可以相互组合,得到具体实施方式。
本发明的有益效果在于:
本发明通过采用羟丙基-β-环糊精对月桂酸单甘油酯进行包合,得到了月桂酸单甘油酯的包合物,并将月桂酸单甘油酯的包合物按一定的添加量添加到CS/PVA薄膜体系中且没有析出,成功地与壳聚糖/聚乙烯醇成膜液共混共溶,实现了将溶解性差的GML作为抑菌因子应用于食品包装材料的增溶与稳定分散。所添加的月桂酸单甘油酯包合物并未改变CS/PVA薄膜原有的结构和结晶度,壳聚糖和聚乙烯醇仍以晶体形式存在于薄膜当中。
月桂酸单甘油酯的包合物具有明显的抑菌性能,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果明显,随着GML/HP-β-CD包合物添加浓度的增大,其对细菌的抑制活性增强。其保鲜效果优于市面上常见的PVDC保鲜膜,对冷鲜肉具有较好的防腐保鲜功效,可以延长其保质期。
此外,本发明通过高温交联,改善了壳聚糖/聚乙烯醇(CS/PVA)薄膜抗水性差,力学性能差的问题;GML/HP-β-CD包合物的添加可以促进薄膜中壳聚糖的酰胺化和美拉德反应,使膜结构更加致密,对氧气和水汽的阻隔性能明显改善,热稳定性提高。
将具有抗菌特性的月桂酸单甘油酯包合物加入CS/PVA薄膜体系中共混制备复合抑菌功能因子月桂酸单甘油酯的聚乙烯醇-壳聚糖生物基薄膜,可用于冷鲜肉及生鲜水产的储运与销售,抑制有害微生物,最大限度保持生鲜类食品原有的品质和商品价值。该抗菌薄膜的制备方法也为其未来在食品活性包装领域中的应用奠定了坚实的基础。
附图说明
图1为本发明实验例1中薄膜的XRD衍射谱图;其中:(a):真空干燥80℃,(b):真空干燥100℃。
图2为本发明实验例1中实施例3薄膜的XPS谱图;其中:(a):真空干燥80℃,(b):真空干燥100℃。
图3为本发明实验例1中薄膜热重分析;其中:(a1):TG-80℃,(b1):DTG-80℃,(a2):TG-100℃,(b2):DTG-100℃。
图4为本发明实验例1中不同浓度GML包合物的薄膜对大肠杆菌的抑菌效果;其中:(a):真空干燥80℃,(b):真空干燥100℃。
图5为本发明实验例1中不同浓度GML包合物的薄膜对金黄色葡萄球菌的抑菌效果;其中:(a):真空干燥80℃,(b):真空干燥100℃。
图6为本发明实验例1中不同薄膜包装的冷鲜肉在储藏期内菌落总数的变化。
图7为本发明实验例1中不同薄膜包装的冷鲜肉在储藏期内TVB-N值的变化。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的,并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下,可以对本发明进行各种修改和替换。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
实施例1
本实施例用于说明本发明所述具有抑菌功能的可降解薄膜的制备方法。
具体步骤如下:
一、制备GML/HP-β-CD包合物
S1:将300mg HP-β-CD溶于30mL蒸馏水中,60℃、400r/min条件下于磁力搅拌器上搅拌至完全溶解。将57.75mg GML溶于8mL乙醇中,待其溶解完全,加入到HP-β-CD中,再加入1mL乙醇,反应温度为60℃,搅拌速度为400r/min,包合时间1h,直至其呈完全透明状。
S2:将S1得到的透明样液置于旋转蒸发仪上,减压,于70~80℃,将乙醇完全挥干,过程中不再出现泡沫,然后升温至80~90℃,将样品完全蒸干,真空干燥,即得GML//HP-β-CD包合物,避光保存,备用。
二、制备GML/HP-β-CD/CS/PVA薄膜
s1:将PVA(13.04g)溶解在100mL的去离子水中,搅拌均匀。将壳聚糖(0.63g)和冰醋酸(0.34mL)溶解在100mL的去离子水中,搅拌均匀后,二者共混,放入高温高压灭菌锅内,121℃条件下溶解30min。将壳聚糖以0.315g/100mL、聚乙烯醇6.52g/100mL的比例和6mL甘油溶于0.17%的冰醋酸溶液中,以800r/min的速度搅拌均匀,置于灭菌锅内121℃条件下加热溶解30min。
s2:添加相对于s1所得溶液总质0.10%(w/w)的GML/HP-β-CD包合物和6mL甘油于s1步骤处理过的溶液中,80℃水浴条件下以800r/min的速度搅拌1h。
s3:将s2步骤处理过的溶液置于灭菌锅内121℃条件下加热15min,使其完全溶解。
s4:将s3步骤处理过的溶液超声30min以除去气泡,制备成膜液。
s5:将成膜液倒入用于薄膜浇铸的玻璃板中,并在25℃下干燥2d直至玻璃板恒重,室温晾干后揭膜。
s6:将s5步骤中的薄膜再次置于真空干燥箱中,控制真空度0.1atm,在80~100℃干燥12h,促进薄膜中壳聚糖的酰胺化和美拉德反应,得到所述的具有双重抑菌活性的改性壳聚糖复合月桂酸单甘油酯可降解新型活性包装薄膜。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于:在制备GML/HP-β-CD/CS/PVA薄膜的步骤中,将GML/HP-β-CD包合物的添加量改为0.15%。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于:在制备GML/HP-β-CD/CS/PVA薄膜的步骤中,将GML/HP-β-CD包合物的添加量改为0.20%。
对比例1
本实施例与实施例1的区别在于:在制备薄膜的步骤中,GML/HP-β-CD包合物的添加量为0%,即仅同实施例1步骤二中的s1、s3~s6,所得产物为CS/PVA薄膜(C/P)。
实验例1
本实验例以实施例1~实施例3和对比例1为样品,对其机械性能、溶胀度和溶解度、透氧率、水蒸气透过率、薄膜结构及抗菌保鲜性能进行测试。
1、薄膜性能指标测试方法
(1)机械性能
参照《GB/T 1040.3-2006塑料拉伸性能的测定》,使用分析仪(MTS CriterionModel C43.104,USA)测量膜的机械性能。用冲片机将包装薄膜冲出所需哑铃形状,试验速度为100mm/min,并且对于每个样品一式三份进行测量。使用千分尺测量膜厚度至1μm的精度,并对每个测试样品进行5次测量,得到平均最终厚度。
(2)溶胀度和溶解度
将试样膜放在60℃的真空干燥箱中干燥,直至质量不再发生变化,称重记为m0。然后将干燥好的试样膜放入50mL去离子水中,在25℃下浸泡24h,然后取出后用滤纸擦干薄膜表面的水分,称重记为m1。再将吸水后呈膨胀状态的试样膜放在60℃真空干燥箱中干燥直至质量不再变化,称重记为m2。计算溶胀度和溶解度(溶胀度:m1-m0/m0;溶解度:m0-m2/m0)。每组膜平行测试三次,结果取平均值。
具体测试结果见表1。
表1 80℃真空干燥的薄膜的机械性能
注:不同字母代表同一列不同组之间的显著性水平(P<0.05)。
我们知道壳聚糖薄膜的溶胀度可以高达2000%,而表1数据显示,对比例1壳聚糖-聚乙烯醇薄膜80℃真空干燥后,溶胀度降至113.14%左右,这可能是因为美拉德反应的分子间相互作用在高温真空干燥中得到加强。
(3)水蒸气透过率(WVP)
WVP测试通过W303水蒸气透过率测试仪(GBPI Packaging Test instruments Co,China)进行。用配套的切刀将薄膜裁剪成直径为80mm的圆形,将试样紧密密封到含水的渗透池上方。在温度为37℃,相对湿度为10%的条件下进行测试。具体测试结果见表2。
表2薄膜的水蒸气透过率
注:不同字母代表同一列不同组之间的显著性水平(P<0.05)。
WVP测试是评估水蒸汽渗透通过包装膜的能力的重要方法。由表2可知,添加GML包合物的薄膜与对比例1的纯壳聚糖-聚乙烯醇薄膜相比,WVP明显降低。其中降低最明显的是实施例3的薄膜,在真空干燥温度为80℃时,减少了461.20g·m-2·day-1。这是因为薄膜的水蒸气阻隔性主要取决于薄膜的亲-疏水结构,GML包合物具有疏水特性,GML包合物的加入使薄膜结构更加致密,对水蒸气透过具有更好的阻隔性。
2、薄膜结构测定方法
(1)X射线衍射(XRD)
使用Ultima IV衍射仪在室温(20℃)下以反射模式进行广角X射线衍射测量。对测试样品进行X射线照射,在样品表面发生衍射,检测并记录X射线的强度,可以得到X射线衍射谱图(图1),扫描角度为5°~90°,扫描速度为5°/min。
如图1可知,真空干燥80℃条件下,对比例及实施例的薄膜在2θ=19.68°存在较强的衍射峰,在2θ=40.64存在较弱的衍射峰。真空干燥100℃条件下,对比例及实施例薄膜在2θ=19.58存在较强的衍射吸收峰,在2θ=40.57存在较弱的衍射吸收峰。壳聚糖聚乙烯醇薄膜中GML包合物的添加及干燥温度的改变,衍射峰的强度、位置和宽度并无明显变化,证明包合物家的添加没有破坏壳聚糖聚乙烯醇薄膜原有的晶体结构。
(2)X射线光电子能谱(XPS)
使用X射线光电子能谱仪(Escalab 250Xi)来检测试样膜中壳聚糖纳米粒子的酰胺化程度。
为了研究薄膜内部结构,用XPS N 1s窄扫描对实施例3所得薄膜的酰胺化程度进行评估。如图2所示,发现薄膜的酰胺化程度为13~18%左右,除去壳聚糖原料本身含有的9%的酰胺化,实施例3的酰胺化程度约为4%,酰胺化的产率较低。从XPS数据看,薄膜内部铵盐的N1s峰几乎拟合不出来,表明薄膜在高温真空干燥后离子铵盐有可能减少,这在一定程度上也会增强薄膜抗水性。
(3)热重分析(TG)
热重分析在TGA(NETZSCH 200F3)热重分析仪上进行,以判定产品的耐热情况,各操作均在流动N2下进行,加热速率为20℃/min,温度为20~600℃。
从图3中可以看出,单纯壳聚糖聚合物在300℃左右的分解峰消失了,在350℃左右出现了新的降解峰,这很可能是由于在高温下,壳聚糖发生非酶褐变的美拉德反应造成了聚合物之间的交联所导致,增加了薄膜的热稳定性。
3、薄膜的抗菌试验
将试样膜在UV下灭菌15min,从灭菌膜上剪下直径为10mm的圆形测试样品,置于1.5mL离心管中的底部。随后,将500μL的菌液(大肠杆菌或金黄色葡萄球菌,约107-108CFU/mL)接种到每个测试膜上,使菌液与薄膜完全接触。随后,将离心管置于37℃的恒温恒湿培养箱中,培养24h后加入500μL的PBS并超声处理75s,进行梯度稀释。然后从每个试管中取100μL的溶液样本,接种到含有营养肉汤的琼脂平板上,37℃孵育24h。阳性对照组为不加薄膜加菌液,阴性对照组为不加菌液不加薄膜。最后,计算每个琼脂平板中的CFU,所有操作均为无菌操作.
由图4可知,80℃真空干燥条件下,实施例1~3的薄膜对大肠杆菌的抑菌率达到63.09%、65.92%、82.25%,实施例3对大肠杆菌的抑制效果最佳。100℃真空干燥条件下的薄膜对大肠杆菌的抑菌率达到64.87%、68.63%和73.99%,同样是实施例3薄膜对大肠杆菌的抑菌相对最好。
如图5可知,80℃真空干燥条件下,实施例1~3的薄膜对金黄色葡萄球菌的抑菌率达到98.96%、97.67%和96.43%,抑制效果优良。而100℃真空干燥条件下薄膜对金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为65.61%、75.42%和73.65%,可见80℃真空干燥条件下制作的薄膜对金黄色葡萄球菌的抑菌能力要优于100℃。
4、冷鲜肉储藏性能实验
将购于市场的新鲜猪里脊肉置于冰箱冷藏室(0~4℃)冷藏。待肉的中心温度降到10℃以下时,在无菌超净工作台内,把猪肉切成大小厚薄均匀质量为20g和25g的肉块,然后将配制好的抑菌剂均匀喷淋于肉块表面,直到抑菌剂流下为止,再用PE保鲜膜包裹覆盖,贮藏于4℃左右的冰箱中保存,每隔1d测定一次相关指标。以不经涂膜处理的肉块作为空白对照。
(1)微生物指标测定
参照GB4789.2—2016《食品安全国家标准菌落总数测定》测定菌落总数。评价标准:小于1×104CFU/g为新鲜肉,在1×104CFU/g~1×106CFU/g之间为次鲜肉,大于1×106CFU/g为变质肉。
以实施例1(0.10%G/H/C/P)和实施例3(0.20%G/H/C/P)及对比例1(C/P)的薄膜与市售肉制品最常用的PVDC薄膜进行对比实验,结果如图6所示。数据显示,储藏4d后,对照组PVDC包装的样品菌落总数已经超标,而用实施例3的薄膜包装的样品在第6d仍然没有超标,其保鲜效果显著优于市场上目前普遍使用的PVDC薄膜,薄膜中GLM包合物的添加浓度越大,保鲜效果越好。
(2)TVB-N值的测定
参照GB5009.228—2016《食品安全国家标准食品中挥发性盐基氮的测定》,采用半微量定氮法测定TVB-N值,重复两次,同时做试剂空白。TVB-N值以mg/100g表示。
动物性食品随着贮藏时间的延长会发生腐败变质,由于酶和细菌的作用使蛋白质分解,从而产生氨以及胺类等具有挥发性的碱性含氮物质,在碱性溶液中蒸出,即为挥发性盐基氮。TVB-N值是评价肉类鲜度有效的方法。以实施例1和实施例3及对比例1的薄膜与市售肉制品最常用的PVDC薄膜进行对比实验,如图7数据显示,储藏6d后,PVDC对照组挥发性盐基氮含量达到12.60mg/100g,实施例1和实施例3的被包装样品中其含量为10.33和8.93mg/100g,是一级鲜肉。储藏至10d后,PVDC对照组挥发性盐基氮已超标,为变质肉,实施例1和实施例3的样品未超标,与对照组指标差异显著(P<0.05),其保鲜效果显著优于市场上目前普遍使用的PVDC薄膜,薄膜中GLM包合物的添加浓度越大,保鲜效果越好。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种具有抑菌功能的可降解薄膜的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括如下步骤:
(1)利用羟丙基-β-环糊精对月桂酸单甘油酯进行包合,得到月桂酸单甘油酯的包合物,所述羟丙基-β-环糊精与所述月桂酸单甘油酯的摩尔用量比为1:1;
步骤(1)包括以下步骤:
S1:将羟丙基-β-环糊精和月桂酸单甘油酯分别溶于水和乙醇中,将二者按照1:1的摩尔用量比,在60℃、400r/min条件下包合,包合时间为1h;
S2:将S1所得样品置于旋转蒸发仪上,减压,于70~80℃将乙醇完全挥干,过程中不再出现泡沫,然后升温至80~90℃,将样品完全蒸干,真空干燥,即得月桂酸单甘油酯的包合物;
(2)以所述月桂酸单甘油酯的包合物、壳聚糖和聚乙烯醇为原料制备成膜液,使成膜液在80~100℃真空干燥条件下发生酰胺化和美拉德反应,得到所述具有抑菌功能的可降解薄膜;
步骤(2)包括以下步骤:
s1:将壳聚糖、聚乙烯醇和甘油溶于0.17%的冰醋酸溶液中,搅拌均匀,加热灭菌并使物料溶解于溶液中;
其中,每100mL 0.17%的冰醋酸溶液中,壳聚糖0.315g、聚乙烯醇6.52g;
s2:向s1所得溶液中添加所述月桂酸单甘油酯的包合物,80℃水浴条件下搅拌均匀;
其中,所述月桂酸单甘油酯的包合物的添加量为s1所得溶液总质量的0.10%~0.20%(w/w);
s3:将s2处理后的溶液加热灭菌并使物料完全溶解于溶液中;
s4:将s3所得溶液通过超声处理除去气泡,制备成膜液;
s5:将所述成膜液倒入用于薄膜浇铸的玻璃板中,并在25℃下干燥至玻璃板恒重,室温晾干后揭膜;
s6:将s5揭膜的薄膜再次置于真空干燥箱中,于80~100℃下干燥12h。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)包括以下步骤:
s1:将壳聚糖、聚乙烯醇和甘油溶于0.17%的冰醋酸溶液中,以800r/min的速度搅拌均匀,置于灭菌锅内121℃条件下加热溶解30min;
s2:向s1所得溶液中添加所述月桂酸单甘油酯的包合物和甘油,80℃水浴条件下以800r/min的速度搅拌1h;
s3:将s2处理后的溶液置于灭菌锅内121℃条件下加热15min,使其完全溶解;
s4:将s3所得溶液通过超声30min除去气泡,制备成膜液;
s5:将所述成膜液倒入用于薄膜浇铸的玻璃板中,并在25℃下干燥2d直至玻璃板恒重,室温晾干后揭膜;
s6:将s5揭膜的薄膜再次置于真空干燥箱中,控制真空度为0.1atm,于80~100℃下干燥12h。
3.一种具有抑菌功能的可降解薄膜,其特征在于,所述可降解薄膜为含有月桂酸单甘油酯的改性聚乙烯醇薄膜。
4.根据权利要求3所述的具有抑菌功能的可降解薄膜,其特征在于,所述可降解薄膜中的月桂酸单甘油酯由羟丙基-β-环糊精包埋。
5.根据权利要求4所述的具有抑菌功能的可降解薄膜,其特征在于,所述改性聚乙烯醇薄膜由壳聚糖和聚乙烯醇交联改性。
6.根据权利要求3~5任一项所述的具有抑菌功能的可降解薄膜,其特征在于,由权利要求1~2任一项所述的制备方法制备而成。
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