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Effect of NH+4 concentration on L-valine fermentation by Brevibacterium flavum

NH+4浓度对黄色短杆菌XV0505发酵生产L



全 文 :第 ! 卷第 # 期
#$%% 年 & 月
生"物"加"工"过"程
9=QCJ(JTDIOCBEDN\QD)ODHJ((@CMQCJJOQCM
2DE*! -D*#
B`O*#$%%
KDQ"%$*&!7!:e*Q((C*%78# 6&783*#$%%*$#*$$&
收稿日期"#$%$ 6%$ 6%!
基金项目"国家科技重大专项课题资助项目##$$3V1$!0$% 6$$(天津市科技支撑计划重点项目#$3V9_[4.$%!$$$(天津市应用基础及前沿技
术研究计划#$3T9V^T9%0$$$
作者简介"冯"宁#%!37%$&女&山东潍坊人&硕士研究生&研究方向"代谢工程(陈"宁#联系人$&教授&@FPBQE"CQCMH=fAI(A*JKI*HC
$"
^
P
浓度对黄色短杆菌 _- 缬氨酸的影响
冯"宁&白亚磊&徐庆阳&谢希贤&陈"宁
#天津科技大学 生物工程学院&天津 &$$08$
摘"要"以 - 缬氨酸#-F2BE$生产菌黄色短杆菌 12$$ 为供试菌株&以#-.
0
$
#
45
0
为唯一添加 -源&考察不同
-.
/
0
浓度对发酵过程中菌体干质量)-F2BE产量和葡萄糖消耗速率以及菌体内代谢流量的影响 研究表明"-./
0

度过高或不足都会影响发酵水平&降低 -F2BE的产量 合适的初始-./
0
浓度为## PPDE:U&产酸期 -./
0
维持浓度
为 & PPDE:U时&有利菌体产酸 在此-./
0
浓度下&在 &$ U发酵罐发酵 7$ =&发酵液中菌体生物量和 -F2BE质量浓
度分别可达 ##j& 和 !j%# M:U
关键词"黄色短杆菌(代谢流(-./
0
(- 缬氨酸
中图分类号"+!&""""文献标志码"Y""""文章编号"%78# 6&783##$%%$$# 6$$%# 6$7
#770:E27$"
^
P
:2/:0/E45E.2/2/-FW56./0704J0/E5E.2/KM
.*#/012)#*0$+3(/$+_[@-W-QCM&\Y,]BEJQ&1S+QCMXBCM&1,@1QGQBC&9.@--QCM
#9DEJMJDN\QDAJH=CDEDMX&dQBCeQC SCQZJO(QAXDN4HQJCHJsdJH=CDEDMX&dQBCeQC &$$08&9=QCB$
*K1E45:E"d=JBPPDCQIP(IENBAJLB((JEJHAJK B(A=JDCEXNJJKQCMCQAODMJC (DIOHJQC A=J-FZBEQCJNJOPJCF
ABAQDC )ODHJ((;X0*#1234)#*2$+5(1$+12$$*@NJHA(DNKQNJOJCA-.
/
0
HDCHJCAOBAQDC(DC ;QDPB((&XQJEK
DN-FZBEQCJ&MEIHD(JHDC(IP)AQDC OBAJBCK A=JPJAB;DEQHNEIGLJOJ(AIKQJK QC B&$ UNJOPJCADO*bJ(IEA(
(=DLJK A=BAJGHJ((QZJDOQC(INQHQJCAHDCHJCAOBAQDC(DN-.
/
0
LDIEK BKZJO(JEXBNJHAA=JXQJEK DN-FZBEQCJ
BCK ;BHAJOQBEMODLA=*d=JOJNDOJ&A=JB))OD)OQBAJBKKQAQZJKD(BMJDN-.
/
0
### PPDE:U$ LB(KJAJOPQCJK&
BCK -FZBEQCJ)ODKIHAQDC LB(QCHOJB(JK ;XcJJ)QCMEDL-.
/
0
HDCHJCAOBAQDC#& PPDE:U$ QC A=J(XCA=J(Q(
)JOQDK DN-FZBEQCJ*RQA= A=JD)AQPIPBKKQAQDCBEKD(BMJDN-.
/
0
&A=JXQJEK(DN-FZBEQCJBCK 9^RLJOJI)
AD!j%# BCK ##j& M:U#7$ =$ QC A=J&$ UNJOPJCADO*
L0M I24H1"0*#1234)#*2$+5(1$+( PJAB;DEQHNEIG( -.
/
0
( -FZBEQCJ(
""- 缬氨酸#-F2BE$属于分支链氨基酸#;OBCH=JK
H=BQC BPQCDBHQK&\9YY$&是人体必需的氨基酸之
一&具有多种生理功能&在医药)食品)动物饲料和
化妆品制造等领域有广泛的应用 利用微生物发
酵法生产 -F2BE具有原料成本低)反应条件温和及
可大规模生产等优点&是一种非常经济的生产方
法*%+ &因此&选育适合工业化生产的优良菌种&获得
最佳发酵工艺条件和控制手段均是提高 -F2BE发酵
水平的有效途径*#+ 我国对于 -F2BE发酵的研究&
长期以来侧重于高产菌的选育&对于发酵过程进行
优化和控制的研究并不多 -源为菌体生长提供-
元素和必需生长因子&在发酵中具有重要意义&成
为 -F2BE生产中发酵优化的主要对象 笔者所在实
验室前期研究表明"利用黄色短杆菌#0*#1234)#*2$+
5(1$+$12$$ 发酵生产 -F2BE的过程中&发酵体系
中的-./
0
在生长期为菌体提供足够的-源&提高菌
体的生长密度&而在产酸期供应适量的氨基&对强
化目标产物 -F2BE的合成具有重要意义&有助于提
高整个发酵过程中产酸水平 -源浓度过高对菌体
生长有抑制作用&从而抑制产物的合成(-源不足导
致 -F2BE合成途径中氨基的缺乏&影响菌体的产酸
水平 因此&本文以#-.
0
$
#
45
0
为唯一-源&考察不
同-./
0
浓度对黄色短杆菌 12$$ 发酵生产 -F2BE
过程的影响&为 -F2BE-源条件的优化提供重要的
依据
C?材料与方法
CNC?菌种
0*#1234)#*2$+5(1$+12$$&由天津科技大学
代谢工程研究室保藏
CN@?培养基
%j#j%"活化培养基#M:U$
葡萄糖 %&蛋白胨 %$&牛肉膏 %$&酵母膏 &-B9E
#j&琼脂 #().8j$ h8j#&$j% >`B灭菌 #$ PQC
%j#j#"种子培养基#% U$
葡萄糖 # M&尿素 %j# M&酵母粉 0 M& _.
#
>5
0
%j$ M& M`45
0
!8.
#
5$j0 M& C`45
0
!.
#
5$j$% M&2%
&$$
"
M&生物素 #$$
"
M&豆饼水解液 %$ PU&玉米浆
#$ PU
%j#j&"基础摇瓶发酵培养基#% U$
葡萄糖 %0$ M&_.
#
>5
0
%j$ M& M`45
0
!8.
#
5$j0 M&
C`45
0
!.
#
5$j$% M&,EJ$j$7 M&UJI $j# M& J`A$j M&
2%
#$$
"
M&生物素 %$$
"
M&9B95
&
#$ M#分消$
%j#j0"基础发酵罐发酵培养基#% U$
葡萄糖 3$ M&_.
#
>5
0
%j$ M& M`45
0
!8.
#
5
$j0 M& C`45
0
!.
#
5$j$% M&,EJ$j$7 M&UJI $j# M& J`A
$j M&2%
#$$
"
M&生物素 %$$
"
M
以上培养基都调 ).至 8j$ h8j#&$j% >`B灭
菌 #$ PQC
CNO?培养方法
%j&j%"菌种活化
取斜面保藏菌种划线接种于活化斜面&&# k恒
温静置培养 #0 =
%j&j#"种子培养
接一环生长良好的活化斜面至 &$ PU种子培养
基中&#$$ O:PQC)&# k振荡培养 % h%3 =
%j&j&"摇瓶培养
按 %$g接种量将种子液接入发酵培养基中&
#$$ O:PQC)&# k振荡培养 8# =
%j&j0"发酵罐培养
按 %$g接种量将种子液接入 &$ U发酵罐中&通
风量 % P& :=&搅拌转速 &$$ h7$$ O:PQC&培养温度
&# k&).控制在 8j$ l$j$ 发酵过程每隔 0 = 测
定菌体干质量和 -F2BE产量
CNP?分析方法
%j0j%"氨基酸含量的测定
应用高效液相分析系统测定*&+
%j0j#"菌体生物量的测定
以干菌体表示 发酵液离心后将菌体洗涤 #
次&3$ k真空干燥箱中干燥至恒质量&用分析天平
称质量 每升发酵液中干菌体的质量即为菌体生
物量
%j0j&"葡萄糖浓度的测定
采用生物传感仪 # 4\Y 0$9$ 测定葡萄糖
浓度
%j0j0"-.
/
0
浓度的测定
应用多参数生化分析仪 \QD)ODNQEJYCBEX#-DZB&S4Y$测定-./
0
浓度
CNQ?数据处理
发酵过程中葡萄糖消耗速率#E$)菌体比生长
速率#
#
$及产物比合成速率#
$
$分别根据 EoKE
K)
&
#
o
KF
FK)
&
$
o
K:
:K)
计算
用 5OQMQC 绘图软件对实验数据进行微分计算&
再用 @GHJE软件求解而得&E单位为 M:#U!=$&
#
)
#
单位为 = 6% F):分别表示某一时刻的菌体生物量
和 -F2BE产量&KF和 K:则分别代表某一时间段内菌
体生物量和 -F2BE产量的增量
@?结果与讨论
@NC?$"
^
P
浓度对-F<56分批发酵的影响
本实验以-./
0
的浓度#PPDE:U$来表示-源的
&%
"第 # 期 冯"宁等"-./
0
浓度对黄色短杆菌12$$ 发酵生产 - 缬氨酸的影响
浓度&作为发酵培养基中唯一速效 -源的 -./
0
&定
量分析其不同浓度下对 12$$ 发酵生产 -F2BE的
影响&为进一步的-源优化提高产量提供依据 采
用摇瓶发酵&在基础发酵培养基中添加不同浓度
#-.
0
$
#
45
0
&令发酵体系中 -./
0
浓度为 8)%$)
##)&$$ 和 &8 PPDE:U&然后考察 -./
0
浓度对
12$$ 合成 -F2BE的影响&结果见表 %
表 C?不同$"^
P
浓度下-F<56分批发酵结果的比较
D5K60C? 0`136E:2J954.12/27-FW56./0KM $"
^
P
5HH.E.W05J23/E1
4#-.
/
0
$:
#PPDE!U
6%
$
"
#-F2BE$:
#M!U
6%
$
"
#始葡萄糖$:
#M!U
6%
$
"
#终葡萄糖$:
#M!U
6%
$
糖酸转化率:
g
"
#干菌体$:
#M!U
6%
$
单位细胞生产
强度:#M!M6%$
8 #$j#& l$j#& %0$ %3 l$j& %7j7 l$j%& %!j% l$j#$ %j$ l$j$#
%$ ##j$ l$j#% %0$ %8 l$j& %8j3! l$j%$ %!j#& l$j## %j%0 l$j$#
## #&j% l$j# %0$ %8 l$j& %!j%% l$j% %!j#3 l$j#% %j## l$j$&
&$$ ##j0& l$j#8 %0$ %! l$j& %3j% l$j%7 %!j#0 l$j#0 %j%7 l$j$#
&8 #%j%# l$j#0 %0$ #& l$j& %8j! l$j$7 %3j3# l$j#& %j%% l$j$%
""由表 % 可知"当-./
0
浓度较低#8 PPDE:U$时&
菌体生物量较高&体系中残糖浓度较低&耗糖较多&
而产量偏低&糖酸转化率和单位细胞生产强度均较
低(随着#-.
0
$
#
45
0
浓度的上升&菌体生物量增加&
产量提高&相对残糖量下降&糖酸转化率和单位细
胞生产强度有所提高&当-./
0
浓度达到 ## PPDE:U
时& -F2BE产 量 达 到 最 高 #&j% M:U( 但 是&
#-.
0
$
#
45
0
增长到一定程度#&8 PPDE:U$&菌体生
长和产酸都受到抑制&生物量和产量有所减少&耗
糖也较少&相对糖酸转化率和单位细胞生产强度也
处于一个较低的水平 考虑菌体生长与产酸的相
关性& 并结合不同 -./
0
浓度下的产酸结果&
## PPDE:U的 -./
0
可以供给 -F2BE发酵足够的 -
源&来满足菌体生长及合成 -F2BE的需要
@N@?$"
^
P
初始浓度对-F<56分批补料发酵的影响
""在进行氨基酸的分批补料发酵的过程中&
-.
/
0
浓度过高&既会抑制菌体生长&大量生成副产
物乙酸)乳酸等有机酸&还可对代谢过程产生不利
影响*0+ 但是 -./
0
浓度过低时&发酵前期菌体生
长旺盛&比生长速率大&后期菌体活力低&也不利
于发酵 本实验考察不同初始 -./
0
浓度下菌体不
同发酵时期的发酵特征&为确定合理的 -源流加
方式提供依据 -./
0
初始添加浓度分别为 8)##
和&8 PPDE:U&在 -./
0
消耗至一定浓度时&以一定
的速率流加 #-.
0
$
#
45
0
将 -./
0
浓度控制在 $
PPDE:U左右 在 &$ U发酵罐上进行分批发酵&从
菌体生物量及比生长速率)产酸量及比产酸速率
和葡萄糖消耗速率 & 个方面来考察不同初始
#-.
0
$
#
45
0
添加量对 12$$ 合成 -F2BE的影响&
结果见图 %
由图 % 可知"在菌体快速生长期#3 h%7 =$&初
始-./
0
浓度较低#8 PPDE:U$时的菌体比生长速率
和葡萄糖消耗速率最大&而初始 -./
0
浓度为 &8
PPDE:U时的菌体生物量明显偏低 进入快速产酸
期##0 h$ =$后&初始-./
0
浓度为 8 PPDE:U时葡
萄糖消耗速率明显小于其余 # 种浓度时的葡萄糖消
耗速率&-F2BE的比合成速率明显偏低&初始 -./
0

度为 &8 PPDE:U时&菌体生物量仍在缓慢增长&比
生长速率较高 在分批补料发酵过程中&初始 -./
0
浓度为 ## PPDE:U的发酵效果最好&发酵至 7$ =
产酸量即可达到 7j$8 M:U
-.
/
0
初始浓度在发酵前期对菌体生长很重要&
随着 -./
0
浓度的提高&最终菌体生物量相应提高
但初始 -./
0
过高或过低均不利于 -F2BE的合成
-.
/
0
初始浓度偏低时&虽有利于菌体比生长速率的
提高和菌体量的增长&但过高的比生长速率导致进
入产酸期时菌体的葡萄糖消耗速率偏低&菌体增长
无力&活力不足&而且前期过高的菌体量导致发酵
液黏度大&影响氧供应&产酸水平低*+ 过高浓度
的-./
0
在菌体生长期会抑制菌体生长&导致菌体量
偏低&不利于产酸(而且过高浓度的 -./
0
在发酵前
期产生的阻遏效应难以去除&使菌体在产酸期对
-.
/
0
的同化利用减少&从而影响产酸水平
0% 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"
图 C?$"^
P
初始浓度对黄色短杆菌_-F<56的影响
U.;=C?#70:E127./.E.56$"
^
P
:2/:0/E45E.2/12/
-FW56./0704J0/E5E.2/./.*#/012)#*0$+
3(/$+_@NO?$"
^
P
维持浓度对-F<56分批补料发酵的影响
""在产酸期&发酵过程中合适的 -./
0
维持浓度&
可有效控制菌体比生长速率和目标产物的比合成
速率&从而提高产量 发酵培养基中初始 -./
0

度为 ## PPDE:U&当 -./
0
浓度降至一定值时&流
加一定浓度#-.
0
$
#
45
0
溶液将发酵体系中 -./
0

度维持在 %$)& 和 7$ PPDE:U&在 &$ U发酵罐上进
行分批补料发酵&发酵分析结果见图 #
""由图 # 可知"在产酸期&当发酵体系中 -./
0

度维持在 & PPDE:U时发酵效果最好&其菌体比生
长速率和比产酸速率均较高&葡萄糖消耗速率达
到最大且保持约 %$ =&最终的菌体生物量和产酸
量分别达到 ##j& 和 !j%# M:U -./
0
维持浓度
图 @?$"^
P
维持浓度对-F<56分批补料发酵的影响
U.;=@?#70:E127$"
^
P
:2/:0/E45E.2/12/-FW56./0
704J0/E5E.2/942:011./.*#/012)#*0$+
3(/$+_为 7$ PPDE:U时&发酵体系中 -./
0
水平过高&抑制
菌体对葡萄糖的利用&发酵过程葡萄糖消耗速率
较低&致使整个代谢途径碳架流量缺少&-F2BE合
成量少*7+ -./
0
维持浓度为 %$ PPDE:U时&致使
!
酮戊二酸不能还原并氨基化&缺少谷氨酸&无法
为缬氨酸的合成提供足够的氨基&阻遏 -F2BE的合
成(且在产酸值较低的情况下&葡萄糖消耗速率仍
维持相对较高的水平&导致这种现象的原因是 -
源的缺乏使菌体不得不消耗葡萄糖来维持菌体基
本的生理代谢&而仅有小部分葡萄糖进入 -F2BE的
合成途径&致使糖酸转化率大大降低*8+ 综合可
知&产酸期发酵体系中 -./
0
维持浓度在较低水平
#& PPDE:U左右$&既解除了高浓度 -源对菌体
%
"第 # 期 冯"宁等"-./
0
浓度对黄色短杆菌12$$ 发酵生产 - 缬氨酸的影响
合成 -F2BE的抑制作用&又可为 -F2BE合成途径提
供足够的氨基&有效避免了 -./
0
不足引起的产酸
下降&从而保证菌体正常代谢和 -F2BE的大量
合成
@NP?$"
^
P
浓度对菌体内代谢流量分布的影响
bIcEQ(=B等*3+的研究表明"-F2BE生物合成途
径中主要由 @` >).` >和 d9Y循环组成&为合成
-F2BE和微生物生长提供前体物质和能量 生成
% PDE-F2BE需 % PDE丙酮酸)% PDE谷氨酸和% PDE
还原力 -Y^ >.#主要来自 .` >途径$ 另外&高
浓度的 -./
0
对 7 磷酸葡萄糖脱氢酶)柠檬酸合成
酶)琥珀酸脱氢酶以及脂肪酸合成酶的活性均表
现出一定的促进作用*!+ &由此 .` >途径和d9Y循
环得到了加强&导致流向 -F2BE生物合成途径的流
量受到限制 根据以 12$$ 为菌种所建立的
-F2BE生物合成代谢流平衡模型和代谢网络*&+为
基础&应用代谢通量分析法研究了 -./
0
浓度对菌
体内代谢方式的影响 通过&$ U发酵罐的分批补
料发酵试验& 菌体生长期#3 h%# =$和 -F2BE合成
期#03 h# =$的数据代入代谢流平衡模型进行计
算&其代谢流量分布结果如图 & 所示 图 &#B$中
数据从左至右分别为 -./
0
初始浓度为 8)## 和
&8 PPDE:U时菌体生长期的碳代谢流量值&图 &
#;$中数据从左至右分别为 -./
0
维持浓度为 %$)
& 和 7$ PPDE:U时产酸期的碳代谢流量值 以葡
萄糖的消耗速率 %$$ PDE:#U!=$为基准得到其他
产物的积累速率的相对值
由图 &#B$可知"在菌体生长期&培养基中初始
-.
/
0
浓度为 8 PPDE:U时菌体合成流量最高&初
始 -./
0
浓度为 ## PPDE:U时仅比其低 &j7g&而
-.
/
0
浓度为 &8 PPDE:U时最低&可见低 -./
0
初始
浓度有利菌体生长&-./
0
初始浓度过高时 .` >途
径受到抑制&进入 .` >途径的碳架流过少&无法
合成菌体生长所需要的戊糖和核酸等物质&阻碍
了菌体的生长*%$+ &因此合成的 -F2BE较少 由图 &
#;$可知"在 -F2BE合成期&发酵体系中 -./
0
浓度
维持为 & PPDE:U时&-F2BE合成流量为 0&j!3&分
别比 -./
0
维持浓度为 %$ PPDE:U和 7$ PPDE:U时
高 #3j$%g和 %&j&g 当 -./
0
维持浓度过低时&
其 .` >途径的流量几乎为 $&根本无法为 -F2BE的
合成产生足够的还原力 -Y^ >.(且 -./
0
不足&导
致形成 - 谷氨酸的流量偏低&无法为 -F2BE的合
成提供足够氨基&导致 -F2BE合成速率小*%%+ 而
图 O?不同$"^
P
浓度下_程的代谢流量分布
U.;=O?A0E5K26.:763G H.1E4.K3E.2/27-FW56./0704J0/E5E.2/
I.E-H.7040/E$"
^
P
:2/:0/E45E.2/1./H.7040/E
904.2H1KM .*#/012)#*0$+3(/$+_-.
/
0
维持浓度过高时&d9Y循环代谢流量较大&导
致 -F2BE合成途径流量较小(且高水平的-./
0
会抑
制菌体对 -./
0
的利用&使得 - 谷氨酸合成不够充
裕&不利于 -F2BE合成 综上可知"在发酵过程中&
## PPDE:U的 -./
0
初始浓度和 & PPDE:U的
-.
/
0
维持浓度&可使 -F2BE合成途径流量分布达到
最佳 代谢流量的分析结果与本文发酵实验得出
的结论相符
7% 生"物"加"工"过"程"" 第 ! 卷"
O?结论
在黄色短杆菌12$$ 发酵生产 -F2BE的过程
中&-./
0
不仅可以为菌体生长提供必需的 -元素&
还可为 -F2BE的合成补充足够的氨基 -源的控
制可以作为调控 -F2BE生物合成的一个重要措施&
控制合适的 -源浓度&-F2BE的生产可以得到显著
的提高 以 #-.
0
$
#
45
0
为唯一添加 -源研究了
-.
/
0
浓度对 -F2BE发酵的影响&发现高浓度的
-.
/
0
在快速生长期对菌体生长有抑制作用&在产
物的快速合成期对产物合成具有阻遏作用(-./
0
浓度过低&会导致氨基的缺乏&对菌体产酸产生不
利影响 通过对菌体内代谢流进行分析表明"过
高或不足的 -./
0
均可以改变发酵过程中生物代谢
的合成方向&降低 -F2BE的产量 因此确定了合适
的初始 -./
0
添加浓度为 ## PPDE:U&而且确定产
酸期维持 -./
0
浓度在& PPDE:U时&对 -F2BE的合
成最为有利 在此 -./
0
浓度的控制条件下&&$ U
发酵罐发酵 7$ =&菌体生物量为 ##j& M:U&-F2BE
产量即可达到 !j%# M:U 本文的结论可为进一
步优化 -源的添加策略提供有利的依据
参考文献"
* % +"赵丽丽&陈宁&熊明勇&等*- 缬氨酸发酵生产的育种思路及发
酵条件优化策略*T+*中国生物工程杂志&#$$&&#&#%$"%8F#%*
* # +"陈宁*氨基酸工艺学* +`*北京"中国轻工业出版社&#$$8*
* & +"马雷&秦永锋&徐庆阳&等*溶氧对 - 缬氨酸发酵过程的影响
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*%$+"李晓华&陈宁&方正星&等*- 缬氨酸发酵过程的代谢流分析
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分析*T+*微生物学通报&#$$&&&$#$"
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国内简讯
微生物采油调控技术
华东理工大学应用化学研究所所长牟伯中及其课题组成员在,油藏保护性可持续开发的微生物采油调
控技术及工业化应用-项目中&面向油藏保护性开采&针对微生物采油技术的关键科学问题及技术难题进行
攻关&依据自创理论模型&在油藏环境微生物群落结构分子检测技术)采油功能微生物分子识别与评价技
术)高效采油菌种及营养体系以及微生物油藏井间示踪技术等方面取得重大突破&解决了油藏极端环境微
生物群落结构解析和采油过程中油藏微生物活动动态检测的难题&实现了油藏保护性开采和微生物体系的
循环利用 该技术拥有自主知识产权
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"第 # 期 冯"宁等"-./
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浓度对黄色短杆菌12$$ 发酵生产 - 缬氨酸的影响