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1、蛋白質(zhì)的分離與純化蛋白質(zhì)分離純化的基本流程 選擇材料和預(yù)處理 細(xì)胞的破碎及細(xì)胞器的分離 蛋白質(zhì)的抽提 蛋白質(zhì)的純化 濃縮、干燥和保存一、材料的選擇和預(yù)處理 微生物、植物和動(dòng)物都可做為制備蛋白質(zhì)的原材料,所選用的材料主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩?lái)確定。 從工業(yè)生產(chǎn)角度考慮,注意選含量高、來(lái)源豐富及成本低的原料。 對(duì)動(dòng)物組織,必須選擇有效成份含量豐富的臟器組織為原材料,先除去結(jié)締組織和脂肪組織。 對(duì)預(yù)處理好的材料,若不立即進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 應(yīng)冷凍保存,對(duì)于易分解的生物大分子應(yīng)選用新鮮材料制備。二、細(xì)胞的破碎(一)機(jī)械方法:主要通過(guò)機(jī)械切力的作用使組織細(xì)胞破壞。 高速組織搗碎機(jī)(轉(zhuǎn)速可達(dá)10000rpm,具高速轉(zhuǎn)動(dòng)的

2、鋒利的刀片),適用于動(dòng)物內(nèi)臟組織的破碎。 玻璃勻漿器(用兩個(gè)磨砂面相互摩擦,將細(xì)胞磨碎),適用于少量材料;也可用不銹鋼或硬質(zhì)塑料等,兩面間隔只有十分之幾毫米,對(duì)細(xì)胞破碎程度比高速搗碎機(jī)高,機(jī)械切力對(duì)分子破壞較小。 小量的也可用乳缽與適當(dāng)?shù)木彌_劑磨碎提取,也可加氧化鋁、石英砂及玻璃粉磨細(xì)。(二)物理方法:主要通過(guò)各種物理因素的作用,使組織細(xì)胞破碎。 反復(fù)凍融法:將細(xì)胞在-20度以下冰凍,室溫融解,反復(fù)幾次,由于細(xì)胞內(nèi)冰粒形成和剩余細(xì)胞液的鹽濃度增高引起溶脹,使細(xì)胞結(jié)構(gòu)破碎。 超聲波法:用一定功率的超聲波處理細(xì)胞懸液,使細(xì)胞急劇震蕩破裂,此法多適用于微生物材料;只要有設(shè)備,該法方便且效果也好,但一

3、次處理量較小。應(yīng)用超聲波處理時(shí)應(yīng)注意避免溶液中氣泡的存在。處理一些超聲波敏感的蛋白質(zhì)酶時(shí)宜慎重。 (三)化學(xué)及生物化學(xué)法 有些動(dòng)物細(xì)胞,例如腫瘤細(xì)胞可采用十二烷基磺酸鈉(SDS)、去氧膽酸鈉等使細(xì)胞膜破壞; 細(xì)菌細(xì)胞壁較厚,采用溶菌酶處理效果更好。此外一些細(xì)胞膜較脆弱的細(xì)胞,可把它們置于水或低滲緩沖劑中透析將細(xì)胞脹破。 細(xì)胞器的分離 制備某一種生物大分子需要采用細(xì)胞中某一部分的材料, 或者為了純化某一特定細(xì)胞器上的生物大分子,防止其他細(xì)胞組分的干擾,細(xì)胞破碎后常將細(xì)胞內(nèi)各組分先行分離,以便于獲得更好的分離效果。 細(xì)胞器的分離一般采用差速離心法 細(xì)胞經(jīng)過(guò)破碎后,在適當(dāng)介質(zhì)中進(jìn)行差速離心。利用細(xì)胞

4、各組分質(zhì)量大小不同,沉降于離心管內(nèi)不同區(qū)域,分離后即得所需組分。 細(xì)胞器的分離制備,介質(zhì)的選擇現(xiàn)一般用蔗糖、Ficoll或葡萄糖-聚乙二醇等溶液。三、蛋白質(zhì)的提取 提取是將經(jīng)過(guò)預(yù)處理或破碎了的細(xì)胞或組織置于一定條件下的溶劑中,讓被提取的蛋白質(zhì)以溶解狀態(tài)充分地釋放出來(lái),并盡可能保持原來(lái)的天然狀態(tài),不丟失生物活性的過(guò)程。 大部分蛋白質(zhì)都可溶于水、稀鹽、稀酸或堿溶液,少數(shù)與脂類結(jié)合的蛋白質(zhì)則溶于乙醇、丙酮、丁醇等有機(jī)溶劑中,因些,可采用不同溶劑提取分離和純化蛋白質(zhì)。 抽提所用緩沖液的pH、離子強(qiáng)度、組成成分等條件的選擇應(yīng)根據(jù)欲制備的蛋白質(zhì)的性質(zhì)而定。 膜蛋白的抽提,抽提緩沖液中一般要加入表面活性劑,

5、使膜結(jié)構(gòu)破壞,利于蛋白質(zhì)與膜分離。 在抽提過(guò)程中,應(yīng)注意溫度,避免劇烈攪拌等,以防止蛋白質(zhì)的變性。水溶液提取法 大部分蛋白質(zhì)均溶于水、稀鹽、稀堿或稀酸溶液中,因此蛋白質(zhì)的提取一般以水為主。稀鹽溶液和緩沖溶液對(duì)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性好、溶度大,也是提取蛋白質(zhì)的最常用溶劑。 注意事項(xiàng) 溫度:一般采用低溫(4以下)操作 鹽濃度:等滲鹽溶液以0.020.05mol/L磷酸鹽緩沖液和碳酸鹽緩沖液常用;0.15mol/L氯化鈉溶液應(yīng)用也較多。 pH:提取液的pH值應(yīng)選擇在偏離等電點(diǎn)兩側(cè)的pH 范圍有機(jī)溶劑提取法 一些和脂質(zhì)結(jié)合比較牢固或分子中非極性側(cè)鏈較多的蛋白質(zhì)和酶,不溶于水、稀鹽溶液、稀酸或稀堿中,可用乙醇、丙

6、酮和丁醇等有機(jī)溶劑提??;這些有機(jī)溶劑具有一定的親水性,還有較強(qiáng)的親脂性,是理想的脂蛋白提取液。 必須在低溫下操作。 丁醇提取法對(duì)提取一些與脂質(zhì)結(jié)合緊密的蛋白質(zhì)和酶特別優(yōu)越 丁醇親脂性強(qiáng),特別是溶解磷脂的能力強(qiáng)。 丁醇兼具親水性,在溶解度范圍內(nèi)不會(huì)引起酶的變性失活。 丁醇提取法的pH及溫度選擇范圍較廣,也適用于動(dòng)植物及微生物材料。 表面活性劑的利用 對(duì)于某些與脂質(zhì)結(jié)合的蛋白質(zhì)和酶,可以采用表面活性劑如膽酸鹽及十二烷基磺酸鈉等處理。 表面活性劑有陰離子型(如脂肪酸鹽、烷基苯磺酸鹽及膽酸鹽等),陽(yáng)離子型(如氧化芐烷基二甲基銨等)及非離子型(Triton X-100 、Tirton X-114、吐溫6

7、0 及吐溫80)等。非離子型表面活性劑比離子型溫和,不易引起酶失活,使用較多。 對(duì)提取物的保護(hù) 無(wú)論用哪一種方法破碎組織細(xì)胞,都會(huì)使細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)或核酸水解酶釋放到溶液中,使生物大分子降解,導(dǎo)致天然產(chǎn)物的量減少。 二異丙基氟磷酸(DFP)可以抑制或減慢自溶作用; 碘乙酸可以抑制活性中心有巰基的蛋白水解酶的活性 苯甲磺酰氟化物(PMSF)能清除蛋白水解酶活力 還可通過(guò)選擇pH、溫度或離子強(qiáng)度等,使反應(yīng)條件適合于目的蛋白的提取。 四、蛋白質(zhì)的純化 做純化前應(yīng)做的工作: 了解目標(biāo)物質(zhì)的特性 必須建立可靠的活性測(cè)定的方法 純化流程 蛋白質(zhì)的粗提純 純化 純度鑒定 活性測(cè)定(一)蛋白質(zhì)的粗提純 選用適當(dāng)?shù)?/p>

8、方法將所要的蛋白質(zhì)與其它雜蛋白分離開來(lái)。比較方便的有效方法是根據(jù)蛋白質(zhì)溶解度的差異進(jìn)行的分離。 常用方法:鹽析法、等電點(diǎn)沉淀、有機(jī)溶劑沉淀法鹽析法 向蛋白質(zhì)溶液中加入中性鹽,在低鹽濃度下隨著鹽濃度升高,蛋白質(zhì)的溶解度增加,此稱鹽溶;當(dāng)鹽濃度繼續(xù)升高時(shí),蛋白質(zhì)的溶解度不同程度下降并先后析出,這種現(xiàn)象稱鹽析。 由于各種蛋白質(zhì)分子顆粒大小、親水程度不同,故鹽析所需的鹽濃度也不一樣,因此調(diào)節(jié)混合蛋白質(zhì)溶液中的中性鹽濃度可使各種蛋白質(zhì)分段沉淀。影響鹽析的因素 溫度:一般室溫操作,對(duì)溫度敏感的蛋白可在低溫下操作。 pH:大多數(shù)蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)時(shí)在濃鹽溶液中的溶解度最低。 蛋白質(zhì)濃度:蛋白質(zhì)濃度高時(shí),欲分離的

9、蛋白質(zhì)常常夾雜著其他蛋白質(zhì)地一起沉淀出來(lái)(共沉現(xiàn)象)。 鹽析中常用的中性鹽:硫酸銨 鹽析后除鹽的方法:常用的辦法是透析,即把蛋白質(zhì)溶液裝入透析袋內(nèi)用緩沖液進(jìn)行透析,并不斷的更換緩沖液,因透析所需時(shí)間較長(zhǎng),所以最好在低溫中進(jìn)行;也可用葡萄糖凝膠G-25或G-50過(guò)柱的辦法除鹽,所用的時(shí)間就比較短。 等電點(diǎn)沉淀法 蛋白質(zhì)在表面靜電荷為零狀態(tài)時(shí)顆粒之間的靜電斥力最小,因而溶解度也最小,利用各種蛋白質(zhì)等電點(diǎn)的差別,可通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的pH達(dá)到某一蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)使之沉淀,但此法很少單獨(dú)使用,可與鹽析法結(jié)合用。低溫有機(jī)溶劑沉淀法 有機(jī)溶劑能降低溶液的介電常數(shù),從而增加蛋白質(zhì)分子上不同電荷的引力,導(dǎo)致溶解度降低

10、;有機(jī)溶劑與水作用能破壞蛋白質(zhì)的水化膜,使蛋白質(zhì)在一定濃度的有機(jī)溶劑中沉淀析出。 常用的有機(jī)溶劑是乙醇和丙酮,一般宜在低溫下進(jìn)行,且在加入有機(jī)溶劑時(shí)注意攪拌均勻以免局部濃度過(guò)大。(二)蛋白質(zhì)粗品的純化 常用的純化方法有:凝膠過(guò)濾層析、離子交換纖維素層析、親和層析等。 通常幾種方法聯(lián)合使用來(lái)獲得較高純度的蛋白質(zhì)樣品。 凝膠過(guò)濾(分子篩) 是利用具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠作分離介質(zhì),根據(jù)被分離物質(zhì)的分子大小不同對(duì)混合物進(jìn)行分離的技術(shù)。 層析柱中的填料是某些惰性的具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì),多是交聯(lián)的聚糖(如葡聚糖或瓊脂糖)類物質(zhì),小分子物質(zhì)能進(jìn)入其內(nèi)部,流下來(lái)速度慢,而大分子物質(zhì)卻被排除在外部,流下來(lái)的速度快

11、,當(dāng)混合物通過(guò)凝膠過(guò)濾層析柱時(shí),溶液中的物質(zhì)就按不同的分子量篩分開了。凝膠過(guò)濾的優(yōu)點(diǎn) 所用的凝膠屬于惰性載體,不帶電荷, 吸附力弱,操作條件比較溫和,可在相當(dāng)廣的溫度范圍下進(jìn)行,不需要有機(jī)溶劑,并且對(duì)待分離成分理化性質(zhì)的保持有獨(dú)到之處。對(duì)于高分子物質(zhì)有很好的分離效果。凝膠過(guò)濾的基本實(shí)驗(yàn)流程 凝膠的選擇 凝膠的預(yù)處理 裝柱 層析柱的選擇,填裝的注意事項(xiàng),平衡,使用前的檢查 上樣及洗脫 樣品的預(yù)處理 凝膠柱的重復(fù)使用,凝膠的回收和保存 凝膠層析的應(yīng)用 脫鹽 分離提純 測(cè)定高分子物質(zhì)的分子量:用一系列已知分子量的標(biāo)準(zhǔn)品放入同一凝膠柱內(nèi),在同一條件下層析,記錄每一種組分的洗脫體積,并以洗脫體積對(duì)分子量

12、的對(duì)數(shù)作圖,在一定分子量范圍內(nèi)可得一直線,即分子量的標(biāo)準(zhǔn)曲線。測(cè)定未知物質(zhì)的分子量時(shí),可將此樣品加在測(cè)定了標(biāo)準(zhǔn)曲線的凝膠柱內(nèi)洗脫后,根據(jù)物質(zhì)的洗脫體積,在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出它的分子量。 高分子溶液的濃縮:SephadexG-25或G-50干膠。 離子交換層析 離子交換層析(Ion Exchange Chromatography)是以離子交換劑為固定相, 依據(jù)流動(dòng)相中的組分離子與交換劑上的平衡離子進(jìn)行可逆交換時(shí)的結(jié)合力大小的差別而進(jìn)行分離的一種層析方法。 常用的離子交換劑有:離子交換纖維素、離子交換葡聚糖和離子交換樹脂。 離子交換層析中,基質(zhì)是由帶電荷的樹脂或纖維素組成。帶有正電荷的稱之陰離子交換劑

13、,帶有負(fù)電荷的稱之陽(yáng)離子交換劑。 當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)處于不同的pH條件下時(shí),其所帶電荷的性質(zhì)和數(shù)目都會(huì)不同。 陰離子交換劑可以結(jié)合帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì),所以這類蛋白質(zhì)被留在柱子上,然后通過(guò)提高洗脫液中的鹽濃度等措施,將吸附在柱子上的蛋白質(zhì)洗脫下來(lái)。結(jié)合較弱的蛋白質(zhì)首先被洗脫下來(lái)。 陽(yáng)離子交換劑結(jié)合帶正電荷的蛋白質(zhì),結(jié)合的蛋白也可以通過(guò)逐步增加洗脫液中的鹽濃度或是提高洗脫液的pH值洗脫下來(lái)。離子交換層析的基本實(shí)驗(yàn)流程 離子交換劑的選擇和預(yù)處理 裝柱 層析柱的選擇,填裝的注意事項(xiàng),平衡 上樣及洗脫 階段洗脫 梯度洗脫 離子交換劑的再生和保存 離子交換層析的應(yīng)用 在生物化學(xué)及臨床生化檢驗(yàn)中主要用于分離氨基酸、多肽

14、及蛋白質(zhì),也可用于分離核酸、核苷酸及其它帶電荷的生物分子。 親和層析 在生物分子中有些分子的特定結(jié)構(gòu)部位能夠同其他分子相互識(shí)別并結(jié)合,如酶與底物的識(shí)別結(jié)合、受體與配體的識(shí)別結(jié)合、抗原與抗體的識(shí)別結(jié)合等,這種結(jié)合既是特異的,又是可逆的, 改變條件可以使這種結(jié)合解除。生物分子間的這種結(jié)合能力稱為親和力。 將具有特殊結(jié)構(gòu)的親和分子制成固相吸附劑放置在層析柱中,當(dāng)要被分離的蛋白混合液通過(guò)層析柱時(shí),與吸附劑具有親和能力的蛋白質(zhì)就會(huì)被吸附而滯留在層析柱中;那些沒(méi)有親和力的蛋白質(zhì)由于不被吸附,直接流出,從而與被分離的蛋白質(zhì)分開;然后選用適當(dāng)?shù)南疵撘海?改變結(jié)合條件,將被結(jié)合的蛋白質(zhì)洗脫下來(lái),這種分離純化蛋白

15、質(zhì)的方法稱為親和層析。親和層析配基的選擇 某些生物分子可與層析載體相偶聯(lián)制成親和吸附劑,在一定條件下,這些分子能與待分離的生物分子(如蛋白質(zhì))進(jìn)行專一結(jié)合,在適當(dāng)條件下又可重新解離,這些生物分子就叫配基。 配基可以是較小的分子,如輔酶、輔基、變構(gòu)酶的效應(yīng)劑,也可以是大分子,如抗體、酶的抑制劑。 親和層析中配基應(yīng)具備的條件 在一定條件下,能和待分離的生物大分子進(jìn)行專一結(jié)合,且親和力越大越好; 配基和生物大分子結(jié)合后,在一定條件下又能解離,且不能破壞生物大分子的生物活性; 配基上必須含有適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)基團(tuán),以便用化學(xué)方法將其偶聯(lián)到載體上,偶聯(lián)后不致影響配基和待分離物質(zhì)的專一結(jié)合。 在親和層析中,配基選

16、擇是否合適是實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。 一般來(lái)說(shuō),根據(jù)待分離的生物大分子在溶液中與一些物質(zhì)作用親和力的大小和專一性進(jìn)行選擇。 大多數(shù)情況下,理想的配基要做大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行篩選。載體的選擇 一般為凝膠 理想的載體應(yīng)具備的條件 不溶于水,但高度親水; 惰性物質(zhì),非特異性吸附少 具有相當(dāng)數(shù)量的化學(xué)基團(tuán)可供活化; 理化性質(zhì)穩(wěn)定; 機(jī)械性能好,具有一定的顆粒形式以保持一定的流速; 通透性好,最好為多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使大分子能自由通過(guò)。 常用載體 瓊脂糖凝膠親水性強(qiáng),理化性質(zhì)穩(wěn)定,不受細(xì)菌和酶的作用,具有疏松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在緩沖液離子濃度大于0.05Mol/L時(shí),對(duì)蛋白質(zhì)幾乎沒(méi)有非特異性吸附,極易被溴化氫活化,活化后性質(zhì)

17、穩(wěn)定,能經(jīng)受層析的各種條件,易于再生和反復(fù)使用。 瓊脂糖凝膠微球的商品名為Sepharose,含糖濃度為2%、4%、6%時(shí)分別稱為2B、4B、6B。因?yàn)镾epharose 4B的結(jié)構(gòu)比6B疏松,而吸附容量比2B 大,所以4B應(yīng)用最廣。 親和吸附劑的制備 載體的活化 配基與活化載體偶聯(lián) 由于載體性質(zhì)不同,活化及偶聯(lián)的方法也有差異。 親和層析的基本實(shí)驗(yàn)流程 吸附 使上柱樣品和親和吸附劑在柱內(nèi)接觸一定時(shí)間,保證兩者之間充分起作用。 洗脫 改變pH、離子強(qiáng)度或緩沖液的組成 親和吸附劑的再生 疏水層析 它利用蛋白質(zhì)表面有一部分疏水性, 與帶有疏水性的載體在高鹽濃度時(shí)結(jié)合。洗脫時(shí)將鹽濃度逐漸降低,蛋白質(zhì)因

18、疏水性不同而逐個(gè)地先后被洗脫而純化。 此法能分離其它一些方法不易純化的蛋白質(zhì)。 (三)純度鑒定 蛋白質(zhì)提純以后需要有指標(biāo)來(lái)說(shuō)明它的純度,從原則上看許多純化蛋白質(zhì)的方法也可以將它們改成純度分析方法。 由于蛋白質(zhì)數(shù)量多,性質(zhì)相似者在所難免,一個(gè)條件下兩種蛋白質(zhì)不能分開的可能性很大,一般均希望用兩種以上的方法來(lái)分析蛋白質(zhì)的純度。只有一種檢定方法時(shí)應(yīng)該用兩種以上條件來(lái)鑒定。 對(duì)蛋白質(zhì)純度的要求因工作需要而異,生物制品考慮制品在體內(nèi)的副作用,物理化學(xué)研究要求不干擾對(duì)象的物化性質(zhì),化學(xué)結(jié)構(gòu)分析要示雜質(zhì)含量低于分析方法的靈敏度等。 確定蛋白質(zhì)(或多肽)樣品的純度標(biāo)準(zhǔn)大致如下:分子大小是否均一,電荷是否均一,

19、是否具有恒定的氨基酸組成,是否具有單一的N末端和C末端殘基,進(jìn)一步純化時(shí)生物活性是否再有提高及能否結(jié)晶等。 通常以電泳時(shí)呈現(xiàn)一條帶以及末端殘基鑒定是單一的即可進(jìn)行順序測(cè)定。 純度鑒定的常用方法 PAGE SDS-PAGE 等點(diǎn)聚焦電泳 N-末端氨基酸分析 HPLC (四)蛋白質(zhì)含量測(cè)定 總蛋白含量測(cè)定(mg/ml):?jiǎn)挝惑w積溶液中所含蛋白質(zhì)的量。常用方法有Folin-酚試劑法、Biored染色法等。 某一特定蛋白含量的測(cè)定(IU/ml):?jiǎn)挝惑w積溶液中所含的該種蛋白質(zhì)活性單位數(shù)。根據(jù)蛋白質(zhì)的自身特點(diǎn)進(jìn)行定義,建立相應(yīng)的檢測(cè)方法。 蛋白質(zhì)的比活性(IU/mg):?jiǎn)挝毁|(zhì)量蛋白質(zhì)分子中所含的蛋白質(zhì)活

20、性單位數(shù)。 活性測(cè)定貫穿于蛋白質(zhì)提取和分離純化的整個(gè)過(guò)程,通過(guò)活性分析和純度鑒定跟蹤目標(biāo)蛋白,指導(dǎo)整個(gè)分離純化工作。 五、蛋白質(zhì)的濃縮、干燥和保存(一)樣品的濃縮生物大分子在制備過(guò)程中由于過(guò)柱純化使樣品變得很稀,為了保存和鑒定的目的,往往需要進(jìn)行濃縮。常用的濃縮方法 減壓濃縮:通過(guò)降低液面壓力使液體沸點(diǎn)降低, 液體沸點(diǎn)降得愈低,蒸發(fā)愈快。此法適用于一些不耐熱的生物大分子的濃縮。 空氣流動(dòng)蒸發(fā)濃縮:將生物大分子溶液裝入透析袋內(nèi)置于冷室,用電扇對(duì)準(zhǔn)吹風(fēng),使透過(guò)膜外的溶劑不斷蒸發(fā),而達(dá)到濃縮目的。 冰凍法:生物大分子溶液在低溫結(jié)成冰,鹽類及生物大分子不進(jìn)入冰內(nèi)而留在液相中。先將待濃縮的溶液冷卻使之變

21、成固體,然后緩慢融解,利用溶劑與溶質(zhì)溶解點(diǎn)的差別而達(dá)到除去大部分溶劑的目的。 吸收法:通過(guò)吸收劑直接吸收除去溶液中溶劑分子使之濃縮。吸收劑必須不與溶液起化學(xué)反應(yīng), 對(duì)生物大分子不吸附,易與溶液分開。聚乙二醇 超濾法:使用一種特別的薄膜對(duì)溶液中各種溶質(zhì)分子進(jìn)行選擇性過(guò)濾的方法,液體在一定壓力下通過(guò)膜時(shí),溶劑和小分子透過(guò),大分子受阻保留。最適于生物大分子尤其是蛋白質(zhì)和酶的濃縮或脫鹽,并具有成本低,操作方便,條件溫和,能較好地保持生物大分子的活性,回收率高等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用超濾法關(guān)鍵在于膜的選擇,不同類型和規(guī)格的膜,水的流速,分子量截止值等參數(shù)均不同, 必須根據(jù)工作需要來(lái)選用。 (二)樣品的干燥生物大分子制備得到的產(chǎn)品,為防止變質(zhì),易于保存,常需要

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