CN112209998B - 一种超声辅助提取玉米蛋白的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及玉米蛋白提取工艺,具体涉及一种超声辅助提取玉米蛋白的方法。该方法包括以下步骤:步骤1:将玉米发酵醪进行第一固液分离,收集酒糟固体,并加入含有有机溶剂的提取液,使体系pH范围为7‑11,然后加入还原剂;步骤2:将上述体系进行超声处理;步骤3:超声处理后,进行第二固液分离,得到富含玉米蛋白的提取液,减压蒸馏回收部分有机溶剂,得到浓缩液;步骤4:调节所述浓缩液的pH至蛋白等电点,收集沉淀出的目标蛋白,洗涤至中性,干燥得到玉米蛋白成品。该方法能够同时对玉米发酵醪中的醇溶蛋白和谷蛋白进行提取,且溶剂消耗量低、时间短,蛋白收率和纯度高。
Description
技术领域
本发明涉及玉米蛋白提取工艺,具体涉及一种超声辅助提取玉米蛋白的方法。
背景技术
玉米是世界上分布最广泛得三大粮食作物之一,种植面积仅次于小麦和水稻,我国玉米年均产量和消费量均居世界第二,仅次于美国。随着玉米酒精工业的发展,将会产生大量的副产物玉米发酵醪,但其易变质,不易长期储存,如果未能有效处理,不仅污染环境,还会造成资源的极大浪费。
目前,玉米发酵醪多用于动物饲料的配制,例如,作为燃料乙醇的副产物的玉米干酒糟及可溶物(DDGS),其以玉米为原料,经过液化、同步糖化发酵、蒸馏出酒精后得到的玉米发酵醪,经固液分离后形成湿糟和清液,再经过蒸发浓缩及干燥处理后的产物。由于玉米中的淀粉发酵转化为酒精,使玉米DDGS的营养成分约为玉米的3倍,因此玉米DDGS含有丰富的粗蛋白质、粗脂肪及有效磷。但利用率和经济价值仍然较低,因此,对玉米酒糟及酒糟液进行综合利用开发,创造出具有更多经济效益的产品,是促进玉米燃料乙醇产业发展的有效途径。
根据玉米蛋白质的溶解性不同,可分为四种主要组分:白蛋白、球蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白,其中玉米醇溶蛋白的含量最高,占玉米蛋白中的60%以上,其次是谷蛋白。
醇溶蛋白的提取多采用普通的溶剂萃取方法,收率较低、纯度低。提取过程需要消耗大量的溶剂,生产成本较高且时间较长,同时溶剂的回收也需要消耗大量的能量,因此改变传统工艺、降低生产成本为当务之急。
玉米谷蛋白的提取多采用稀酸或稀碱溶液,采用低浓度的氢氧化钠提取谷蛋白时,不同浓度的氢氧化钠溶液会影响肽链中某些氨基酸残基的解离程度,一定浓度的氢氧化钠溶液可以加快玉米谷蛋白的溶解,而过高浓度的氢氧化钠溶液又会破坏蛋白中的某些氨基酸残基的结构,从而破坏了蛋白质分子的空间构象,导致蛋白质变性,降低提取率和纯度。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的醇溶蛋白提取溶剂消耗量大、成本高、时间长且收率和纯度低,谷蛋白提取由于蛋白质变性导致提取率和纯度低的问题,提供一种超声辅助提取玉米蛋白的方法,该方法能够同时对玉米发酵醪中的醇溶蛋白和谷蛋白进行提取,且溶剂消耗量低、时间短,蛋白收率和纯度高。
为了实现上述目的,本发明提供一种从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法,该方法包括以下步骤:
步骤1:将玉米发酵醪进行第一固液分离,收集酒糟固体,并加入含有有机溶剂的提取液,使体系pH范围为7-13,然后加入还原剂;
步骤2:将上述体系进行超声处理;
步骤3:超声处理后,进行第二固液分离,得到富含玉米蛋白的提取液,减压蒸馏回收部分有机溶剂,得到浓缩液;
步骤4:调节所述浓缩液的pH至蛋白等电点,收集沉淀出的目标蛋白,洗涤至中性,干燥得到玉米蛋白成品。
本发明提供的超声辅助提取玉米蛋白的方法具备以下优势:
(1)本发明采用在7-13的pH值下,并且在还原剂存在下,以有机溶剂,优选醇溶剂作为提取剂,同时提取得到了富含玉米醇溶蛋白和谷蛋白的提取液,一方面,大大提高了蛋白的提取率和纯度,使发酵醪中的有效成分得到了充分的利用,提高了发酵醪的利用价值;另一方面,减少了溶剂的用量。
(2)本发明采用超声法辅助提取蛋白,能够有效促进提取液的穿透,降低提取液的用量,同时提高有效成分的提取,大大缩短了提取时间,降低了提取所需的能耗,具有超高的经济效益和工业化前景。
附图说明
图1为本发明一种具体的超声辅助提取玉米蛋白的工艺流程图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明的发明人在研究中发现,玉米醇溶蛋白可溶于高浓度得有机溶剂,例如,60-95体积%的醇溶液或70-80体积%的酮溶液,和含有还原剂的低浓度有机溶液(β和γ玉米醇溶蛋白溶于加入还原剂的30体积%有机溶液)。玉米谷蛋白能溶于稀酸和稀碱溶液,加热后凝固,因其特殊溶解性可利用稀碱液浸提玉米谷蛋白,在加入还原剂的低浓度有机溶液中提取醇溶蛋白时谷蛋白也可溶解。发明人巧妙的在pH值为7-13以及加入还原剂的条件下,利用有机溶剂在超声下进行玉米蛋白的萃取,能够同时对玉米发酵醪中的醇溶蛋白和谷蛋白进行提取,且溶剂消耗量低、时间短,蛋白收率和纯度高。
基于如上的发现,本发明提供一种从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法,该方法包括以下步骤:
步骤1:将玉米发酵醪进行第一固液分离,收集酒糟固体,并加入含有有机溶剂的提取液,使体系pH范围为7-13,然后加入还原剂;
步骤2:将上述体系进行超声处理;
步骤3:超声处理后,进行第二固液分离,得到富含玉米蛋白的提取液,减压蒸馏回收部分有机溶剂,得到浓缩液;
步骤4:调节所述浓缩液的pH至蛋白等电点,收集沉淀出的目标蛋白,洗涤至中性,干燥得到玉米蛋白成品。
根据本发明,所述玉米发酵醪为以玉米为原料进行酒精生产过程中的副产物,具体的,玉米原料经液化、同步糖化,然后接入菌种进行酒精发酵,发酵结束后蒸馏出酒精,所剩余的残液即为所述玉米发酵醪,其含有大量的粗蛋白、丰富的氨基酸、微生物和多种微量元素。所述玉米发酵醪的来源不受特别的限制,可以商购获得,或者在具有玉米酒精生产能力的条件下,自行制备获得。
根据本发明一种优选实施方式,所述玉米发酵醪含有3-4重量%的粗蛋白。
根据本发明,步骤1中,所述第一固液分离的方法可以为常规的各种将混合液中的固相和液相进行分离的方法,例如,可以为过滤、离心等。根据本发明一种优选的实施方式,所述第一固液分离为离心。其中,所述离心的条件可以在较宽的范围内进行选择,优选的,所述离心条件为:转速为3000-10000rpm,例如,可以为3000rpm、3500rpm、4000rpm、4500rpm、5000rpm、6000rpm、7000rpm、8000rpm、9000rpm、10000rpm,优选为3000-8000rpm,更优选为3500-4500rpm;时间为5-30min,例如,5min、10min、15min、20min、25min、30min,优选为15-25min。
根据本发明,步骤1中,所述体系的料液比可以在较宽的范围内选择,但优选的,为了进一步提高蛋白收率和纯度高,所述体系的料液比为1:5-1:30,例如,可以为1:5、1:10、1:15、1:20、1:25、1:30。优选的,所述料液比为1:10-20,例如,可以为1:11、1:13、1:15、1:17、1:19、1:20。
其中,所述提取液中有机溶剂的含量不受特别的限制,优选的,有机溶剂的含量为30-95体积%,例如,可以为30体积%、40体积%、50体积%、60体积%、70体积%、80体积%、90体积%、95体积%。
根据本发明,步骤1中,所述有机溶剂可以为任意的能够溶解玉米发酵醪中蛋白的有机溶剂,根据本发明一种优选的实施方式,所述有机溶剂为醇和/或酮。
优选的,所述醇为C2-C4的低碳醇,例如,乙醇、丙醇和异丙醇,优选为乙醇。
优选的,所述酮为丙酮。
根据本发明,步骤1中,所述体系的pH值可以为7-13范围内的任意值,例如,可以为7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、10.5、11、11.5、12、12.5、13;优选为8-10,进一步优选为8.5-9.5。
其中,可以使用常规的酸碱对体系的pH值进行调节,通常情况下,需要加入碱进行调节,所述碱可以为氢氧化钠、氢氧化钾和碳酸钠中的至少一种。
本发明的发明人在研究中发现,通过使用氢氧化钠进行pH值的调节,能够显著降低乙醇的用量,具体的,使用氢氧化钠进行pH值的调节,所述有机溶剂为乙醇,其含量可以降低至30-70体积%。
所述碱的加入形式并没有特别的限制,其可以混入提取液中加入,也可以加入提取液后再加入,只要能够将体系的pH值控制在本发明的范围内即可。
此处需要说明的是,如上所述料液比中液体积不仅包括提取液引入的液体体积,还包括用于调节pH值所用的pH值调节剂所引入的液相体积。
根据本发明,步骤1中,所述还原剂可以为常规的各种可以用作还原剂的物质,优选的,所述还原剂选自亚硫酸钠、巯基乙醇和亚硫酸氢钠,更优选为亚硫酸钠。在优选的情况下,能够进一步提高蛋白收率和纯度高。
其中,所述还原剂的用量可以在较宽的范围内选择,优选的,相对于100ml的所述体系,还原剂的加入量0.05-0.5g,例如,可以为0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.25g、0.3g、0.35g、0.4g、0.45g、0.5g,优选为0.1-0.3g。
根据本发明,步骤2中,尽管在pH为7-13以及加入还原剂的条件下,利用有机溶剂在超声下进行玉米蛋白的萃取,即能够同时对玉米发酵醪中的目标蛋白进行提取,且溶剂消耗量低、时间短,蛋白收率和纯度高。而对所述超声的条件没有特别的限制,但为了进一步提高本发明的效果,优选的,所述超声处理的条件为:频率20-80kHz,例如,可以为20kHz、30kHz、40kHz、50kHz、60kHz、70kHz、80kHz,优选为30-70kHz,更优选为55-65kHz;时间15-240min,例如,可以为15min、30min、45min、60min、75min、90min、105min、120min、135min、150min、180min、210min、240min,优选为60-200min,更优选为110-130min。
此外,所述超声的温度优选为30-70℃,例如,可以为30℃、40℃、50℃、60℃、70℃,优选为40-60℃。
根据本发明,步骤3中,所述第二固液分离的方法可以为常规的各种将混合液中的固相和液相进行分离的方法,例如,可以为过滤、离心等。根据本发明一种优选的实施方式,所述第二固液分离为离心。其中,所述离心的条件可以在较宽的范围内进行选择,优选的,所述离心条件为:转速为3000-10000rpm,例如,可以为3000rpm、3500rpm、4000rpm、4500rpm、5000rpm、6000rpm、7000rpm、8000rpm、9000rpm、10000rpm,优选为3000-8000rpm,更优选为3500-4500rpm;时间为5-30min,例如,5min、10min、15min、20min、25min、30min,优选为15-25min。
根据本发明,步骤3中,所述减压蒸馏的方法可以参照本领域常规的技术手段,其条件优选使得无固体析出,根据经验,只要无固体析出,可认为能够将有机溶剂全部去除。
根据本发明,步骤4中,所述蛋白的等电点可以根据要提取的蛋白的等电点进行设定,在本发明中,想要提取的蛋白为醇溶蛋白和谷蛋白的情况下,所述目标蛋白等电点pH为4-6.7,其中,在pH为4.5-5,优选4.6-4.8的条件下可以得到醇溶蛋白,在pH为6-6.7优选6.3-6.5的条件下可以得到谷蛋白。
其中,可以通过离心的方式收集沉淀出的目标蛋白。
根据本发明,步骤4中,所述干燥可以为冷冻干燥、喷雾干燥或真空加热干燥。
其中,所述干燥的条件优选使得所得玉米蛋白成品中水含量不高于12重量%。
其中,在将所得蛋白干燥之前,还优选对其进行洗涤,例如,使用纯水、去离子水等将所得蛋白洗涤至中性。
根据本发明一种优选的从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法,如图1所示,具体包括如下的步骤:
(1)将发酵醪离心,3500-4500rpm,15-25min,收集酒糟固体,使用乙醇作为提取液,配制提取液,使乙醇含量为30-70体积%,用氢氧化钠调节pH至8.5-9.5,所获得体系中料液比为1:10-20,加入体系0.1-0.3%(g/ml)的亚硫酸钠,搅拌混匀。
(2)将上述混悬液超声,调制55-65kHz,温度为40-60℃,超声110-130min。
(3)将上述超声处理后的混悬液固液分离,收集萃取液,减压蒸馏,去除部分有机溶剂,但无蛋白析出。
(4)调节上述蒸馏后提取液的pH至4.6-4.8,离心,收集沉淀出的玉米醇溶蛋白,再次调节pH至6.3-6.5,离心,收集沉淀出的玉米谷蛋白。
(5)用水洗涤得到的固体蛋白至中性,冷冻干燥,得到玉米蛋白成品。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中,
玉米发酵醪原液来自玉米发酵生产线,含有3.5重量%的粗蛋白;
蛋白质提取率=蛋白质提取量(g)/发酵醪中蛋白质量(g),其中,发酵醪中蛋白质量通过凯氏定氮法测试(GB/T5009.5-2010);
纯度=含氮量(%)*粗蛋白转换系数(6.25),其中,含氮量=1.401*标准酸消耗量(g)/样品质量(g)。
实施例1
本实施例用于说明本发明提供的从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法
(1)将发酵醪离心,4000rpm,20min,收集酒糟固体10g,使用乙醇作为提取液,配制提取液,使乙醇含量为30体积%,用氢氧化钠调节pH至9,所获得体系中料液比为1:10,加入体系0.2%(g/ml)的亚硫酸钠,搅拌混匀。
(2)将上述混悬液超声,调制60kHz,50℃超声120min;
(3)将上述超声处理后的混悬液固液分离,收集萃取液,减压蒸馏,去除部分有机溶剂,但无蛋白析出。
(4)调节上述蒸馏后提取液的pH至4.7,离心,收集沉淀出的玉米醇溶蛋白,再次调节pH至6.4,离心,收集沉淀出的玉米谷蛋白,然后将所得蛋白合并。
(5)用纯水洗涤得到的固体蛋白至中性,冷冻干燥,得到玉米蛋白成品。所得产品的质量、提取率和纯度如表1所示。
实施例2
本实施例用于说明本发明提供的从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法
(1)将发酵醪离心,4000rpm,20min,收集酒糟固体10g,使用乙醇作为提取液,配制提取液,使乙醇含量为50体积%,用氢氧化钠调节pH至9.5,所获得体系中料液比为1:15,加入体系0.1%(g/ml)的亚硫酸钠,搅拌混匀。
(2)将上述混悬液超声,调制65kHz,60℃超声130min。
(3)将上述超声处理后的混悬液固液分离,收集萃取液,减压蒸馏,去除部分有机溶剂,但无蛋白析出。
(4)调节上述蒸馏后提取液的pH至4.7,离心,收集沉淀出的玉米醇溶蛋白,再次调节pH至6.4,离心,收集沉淀出的玉米谷蛋白,然后将所得蛋白合并。
(5)用纯水洗涤得到的固体蛋白至中性,冷冻干燥,得到玉米蛋白成品。所得产品的质量、提取率和纯度如表1所示。
实施例3
本实施例用于说明本发明提供的从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法
(1)将发酵醪离心,4000rpm,20min,收集酒糟固体10g,使用乙醇作为提取液,配制提取液,使乙醇含量为70体积%,用氢氧化钠调节pH至8.5,所获得体系中料液比为1:20,加入体系0.3%(g/ml)的亚硫酸钠,搅拌混匀。
(2)将上述混悬液超声,调制55kHz,40℃超声110min;
(3)将上述超声处理后的混悬液固液分离,收集萃取液,减压蒸馏,去除部分有机溶剂。
(4)调节上述蒸馏后提取液的pH至4.7,离心,收集沉淀出的玉米醇溶蛋白,再次调节pH至6.4,离心,收集沉淀出的玉米谷蛋白,然后将所得蛋白合并。
(5)用纯水洗涤得到的固体蛋白至中性,冷冻干燥,得到玉米蛋白成品。所得产品的质量、提取率和纯度如表1所示。
实施例4
本实施例用于说明本发明提供的从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法
按照实施例1的方法从玉米发酵醪中提取玉米蛋白,不同的是,步骤(1)中,乙醇的含量为10体积%,步骤(2)中,超声的频率为30kHz,30℃下超声60min。
实施例5
本实施例用于说明本发明提供的从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法
按照实施例1的方法从玉米发酵醪中提取玉米蛋白,不同的是,步骤(2)中,超声的频率为80kHz,70℃下超声60min。
实施例6
本实施例用于说明本发明提供的从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法
按照实施例1的方法从玉米发酵醪中提取玉米蛋白,不同的是,步骤(1)中,将乙醇替换为等体积的异丙醇。
实施例7
本实施例用于说明本发明提供的从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法
按照实施例1的方法从玉米发酵醪中提取玉米蛋白,不同的是,步骤(1)中,将亚硫酸钠替换为等体积的巯基乙醇。
实施例8
本实施例用于说明本发明提供的从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法
按照实施例1的方法从玉米发酵醪中提取玉米蛋白,不同的是,步骤(1)中,将pH值调节至10.5。
实施例9
本实施例用于说明本发明提供的从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法
按照实施例1的方法从玉米发酵醪中提取玉米蛋白,不同的是,步骤(1)中,将pH值调节至12。
对比例1
本对比例用于说明参比的从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法
按照实施例1的方法从玉米发酵醪中提取玉米蛋白,不同的是,步骤(1)中,将pH值调节至6.5。
对比例2
本对比例用于说明参比的从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法
按照实施例1的方法从玉米发酵醪中提取玉米蛋白,不同的是,步骤(1)中,不对添加氢氧化钠pH值进行调节,pH值约为4。
对比例3
本对比例用于说明参比的从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法
按照实施例1的方法从玉米发酵醪中提取玉米蛋白,不同的是,不进行步骤(2)的超声处理。
对比例4
本对比例用于说明参比的从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法
按照实施例1的方法从玉米发酵醪中提取玉米蛋白,不同的是,不添加还原剂。
对比例5
本对比例用于说明参比的从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法
玉米蛋白的提取方法:取发酵醪离心,4000rpm,20min,收集酒糟固体,使用乙醇作为提取液,配制提取液,使乙醇含量至少为70体积%,体系中料液比为1:20,搅拌混匀,50℃摇床反应4h。提取液先采用旋转蒸发仪除去部分乙醇,再采用等电点法沉淀得到粗蛋白。
表1
通过表1的结果可以看出,在pH值为7-13以及加入还原剂的条件下,利用有机溶剂在超声下进行玉米蛋白的萃取,能够同时对玉米发酵醪中的醇溶蛋白和谷蛋白进行提取,醇溶蛋白和谷蛋白提取率和纯度均较高。
将实施例1与对比例6相比可以看出,相比于常规的萃取方法,本发明的方法可以大大减少提取试剂的用量,缩短提取时间。
此外,经过验证,如果步骤(1)中,使用碳酸钠调节pH值,如果要获得与实施例1基本相同的效果,需要提高乙醇的浓度值75体积%。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。
Claims (19)
1.一种从玉米发酵醪中提取玉米蛋白的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤1:将玉米发酵醪进行第一固液分离,收集酒糟固体,并加入含有有机溶剂的提取液,使体系pH范围为8.5-10,然后加入还原剂亚硫酸钠或亚硫酸氢钠;
步骤2:将上述体系进行超声处理;
步骤3:超声处理后,进行第二固液分离,得到富含玉米蛋白的提取液,减压蒸馏回收部分有机溶剂,得到浓缩液;
步骤4:调节所述浓缩液的pH至蛋白等电点,收集沉淀出的目标蛋白,洗涤至中性,干燥得到玉米蛋白成品;
其中,步骤2中,所述超声处理的条件为:频率30-70kHz,温度40-60℃,时间110-130min;
其中,步骤1中,所述有机溶剂为醇和/或酮;
其中,步骤4中,所述目标蛋白为醇溶蛋白和谷蛋白,将所述浓缩液的pH调节至4.5-5,沉淀并收集醇溶蛋白,调节至6-6.7,沉淀并收集谷蛋白。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,步骤1中,所述第一固液分离和第二固液分离各自独立地为离心,所述离心条件为:转速为3000-10000rpm,时间为5-30min。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中,步骤1中,所述体系的料液比为1:5-1:30。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,所述醇为C2-C4的醇。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,所述酮为丙酮。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,所述提取液中,有机溶剂的含量为30-95体积%。
7.根据权利要求1-2、4-6中任意一项所述的方法,其中,步骤1中,使体系pH范围为8.5-9.5。
8.根据权利要求3的方法,其中,步骤1中,使体系pH范围为8.5-9.5。
9.根据权利要求1-2、4-6、8中任意一项所述的方法,其中,步骤1中,使用碱对所述体系的pH进行调节。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾和碳酸钠。
11.根据权利要求3所述的方法,其中,步骤1中,使用碱对所述体系的pH进行调节。
12.根据权利要求7所述的方法,其中,步骤1中,使用碱对所述体系的pH进行调节。
13.根据权利要求11或12所述的方法,其中,所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾和碳酸钠。
14.根据权利要求1所述的方法,其中,相对于100ml的所述体系,还原剂的加入量0.05-0.5g。
15.根据权利要求1-2、4-6、8、10-12、14中任意一项所述的方法,其中,步骤4中,所述干燥为冷冻干燥、喷雾干燥或真空加热干燥。
16.根据权利要求3所述的方法,其中,步骤4中,所述干燥为冷冻干燥、喷雾干燥或真空加热干燥。
17.根据权利要求7所述的方法,其中,步骤4中,所述干燥为冷冻干燥、喷雾干燥或真空加热干燥。
18.根据权利要求9所述的方法,其中,步骤4中,所述干燥为冷冻干燥、喷雾干燥或真空加热干燥。
19.根据权利要求13所述的方法,其中,步骤4中,所述干燥为冷冻干燥、喷雾干燥或真空加热干燥。
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