楊剴舟,劉 云,楊立芳,冷小京*
(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083)
雙歧桿菌作為益生菌的一種,原產(chǎn)于人體腸道內(nèi),對人體具有重要的生理和保健功能[1]。雙歧桿菌是生長在pH 4.5~8.5之間嚴(yán)格厭氧的革蘭氏陽性細(xì)菌,在生產(chǎn)加工處理和通過胃腸道的過程中,會造成菌體數(shù)量的大量減少。雙歧桿菌必須保證一定的攝入量才能在人體腸道中定殖并發(fā)揮其功能,瑞士和國際乳聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)化委員會規(guī)定益生菌產(chǎn)品中雙歧桿菌的活菌數(shù)要大于106CFU/g或106CFU/mL[2]。因此,為雙歧桿菌提供有效的物理屏障保護(hù)以抵御不利環(huán)境是十分必要的[3-4]。
微膠囊包埋技術(shù)作為一種新型多壁材物理包埋技術(shù),在雙歧桿菌加工和貯藏過程中能夠有效提高其生存能力和穩(wěn)定性[5-7],同時可實現(xiàn)其在胃腸道中的精準(zhǔn)緩釋[8]。擠壓法因其制備過程溫和、對活性芯材損傷小、制作簡單、成本較低等特點,被廣泛應(yīng)用[9]。
海藻酸鈉作為一種天然多糖,因其良好的水溶性和生物相容性以及無毒等特性廣泛應(yīng)用于微膠囊技術(shù)中,海藻酸鹽聚合物的凝膠化是通過古洛糖醛酸的羧酸根陰離子與鈣離子之間的交聯(lián)形成的[10]。然而,海藻酸鈉在高酸性和氧氣環(huán)境下不能有效地保護(hù)雙歧桿菌,因此需要選擇適當(dāng)?shù)谋诓呐c其進(jìn)行復(fù)合。乳清分離蛋白與海藻酸鈉復(fù)配作為雙歧桿菌微膠囊壁材,當(dāng)pH值低于乳清蛋白的等電點時,乳清蛋白的靜電荷為正,與帶負(fù)電荷的海藻酸鈉多糖產(chǎn)生靜電相互作用,從而形成牢固的微膠囊膜結(jié)構(gòu),可對雙歧桿菌提供一定程度的保護(hù)作用[11-12]。
長雙歧桿菌BBMN68篩選于廣西巴馬長壽老人的糞便,為了最大程度解決其對氧氣和氫離子耐受性差的問題,本研究在以海藻酸鈉和乳清蛋白作為壁材的基礎(chǔ)上,采用在包埋體系中加入VE以阻隔氫離子,以及在氮氣環(huán)境中操作以阻隔氧氣的方法制備濕微膠囊,同時為了增加微膠囊應(yīng)用,將上述濕微膠囊制備成凍干微膠囊,對微膠囊包埋保護(hù)效果進(jìn)行評價,以期為雙歧桿菌的包埋保護(hù)和開發(fā)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
長雙歧桿菌BBMN68(Bifidobacterium longum BBMN68,中國科學(xué)科院微生物研究所菌種保藏中心,保藏號:CGMCC2265),分離自廣西巴馬長壽老人的糞便。
MRS液體培養(yǎng)基、MRS固體瓊脂培養(yǎng)基(包含瓊脂15 g/L)、MRS選擇性培養(yǎng)基(包含0.3%丙酸鈉和0.2%氯化鋰[13]) 北京奧博星生物技術(shù)有限公司。
海藻酸鈉(alginate,AL,食品級) 青島麗珠海洋化工廠;乳清分離蛋白(whey protein isolate,WPI)、聚甘油蓖麻醇酯(polyglycerol esters of interesterified ricinoleic acid,PGPR,食品級) 美國Davisco公司;VE、胃蛋白酶、胰酶 美國Sigma公司;杯狀酸奶 北京三元食品有限公司。
PHS-25CW精密酸度計 意大利哈納科儀公司;BBS-DDC超凈工作臺 濟(jì)南鑫貝西生物技術(shù)有限公司;UV mini-1240紫外-可見分光光度計 日本Shimadzu公司;HWS-270恒溫恒濕培養(yǎng)箱 寧波市科技園區(qū)新江南儀器有限公司;LGJ-12真空冷凍干燥機(jī) 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司。
1.3.1 溶液的配制
固化液:配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的CaCl2溶液,用1 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH值為6.5,121℃高壓滅菌20 min。
稀釋液[14]:Na2HPO4?12H2O 6.0 g、KH2PO44.5 g、吐溫-80 1 mL、半胱氨酸鹽酸鹽0.5 g,加去離子水定容至1 L,攪拌使之充分溶解,加瓊脂0.5 g,加熱煮沸1~2 min以溶解瓊脂,放置至室溫,調(diào)pH 6.8,分裝。121℃高壓滅菌20 min。
解囊液[15]:Na2HPO4?12H2O 35.8 g,檸檬酸10.5 g,加去離子水定容至1 L,攪拌使之充分溶解,調(diào)pH 7.25,分裝。121℃高壓滅菌20 min。
模擬胃液[16]:取0.1 mol/L稀HCl溶液16.4 mL,加無菌水約800 mL及胃蛋白酶10 g,攪拌均勻后加無菌水定容至1 000 mL,調(diào)節(jié)pH值為1.2,過0.22 μm濾膜除菌備用。
模擬腸液[16]:稱取KH2PO46.8 g,加無菌水約500 mL攪拌溶解,稱取胰酶10 g,加適量無菌水使之溶解,兩液混合后,加無菌水定容至1 000 mL,調(diào)節(jié)pH值為7.4,過0.22 μm濾膜備用。
1.3.2 菌體的培養(yǎng)
將長雙歧桿菌B B M N 6 8按0.1%的量接種于10 mL MRS液體培養(yǎng)基中,37℃恒溫培養(yǎng)12 h,活化2~3次后,再按0.1%的量接種于250 mL MRS液體培養(yǎng)基中,37℃恒溫培養(yǎng)15 h,4 500 r/min離心15 min收獲菌體,0.9%生理鹽水洗滌,4 500 r/min離心15 min,再洗滌兩次即收獲菌體。
1.3.3 壁材的制備
分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%和4%的AL溶液[17-19],室溫條件下磁力攪拌2 h后,于4℃環(huán)境下靜置過夜,以確保完全溶解水合,備用。
配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的WPI溶液[20],室溫下磁力攪拌2 h后,于4℃環(huán)境下靜置過夜,以確保完全溶解水合,次日平衡至室溫,用1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)其pH 8.0后,在80℃條件下水浴加熱30 min使其充分變性,迅速冷卻至室溫,得到變性乳清分離蛋白溶液,與4% AL溶液等質(zhì)量混合均勻。
壁材溶液在沸水浴中加熱30 min滅菌,磁力攪拌冷卻至室溫,備用。
1.3.4 微膠囊的制備
制備5種濕潤微膠囊(命名為1~5號),以未包埋的菌體作為對照。具體制備方法如下:
1號:2% AL溶液與菌體混合→攪拌均勻→用2 mL注射器將混合液滴入3% CaCl2溶液中→固化30 min[17]→0.9%生理鹽水洗滌3次→1號微膠囊。
2號:6% WPI溶液與4% AL溶液等質(zhì)量混合→加入菌體混合均勻→用2 mL注射器將混合液滴入3% CaCl2溶液中→固化30 min→0.9%生理鹽水洗滌3次→2號微膠囊。
3號:制備方法與2號相同,制備過程中向壁材與芯材混合液中連續(xù)充入無菌氮氣。
4號:將菌體加入VE油(含8% PGPR)中并快速攪拌→初乳狀液(水/油,W/O)→將初乳狀液加入6% WPI溶液與4% AL溶液等質(zhì)量混合液中并快速攪拌→雙乳狀液(水/油/水,W/O/W)→用2 mL注射器將雙乳狀液滴入3% CaCl2溶液中→固化30 min→0.9%生理鹽水洗滌3次→4號微膠囊[21]。
5號:制備方法與4號相同,制備過程中向壁材與芯材混合液中連續(xù)充入無菌氮氣。
菌體加入量:微膠囊含活菌數(shù)為109~1010CFU/g,雙乳狀液中內(nèi)水相-油相-外水相質(zhì)量比約為10∶10∶100。實驗所用溶液、器具等均于121℃高壓滅菌20 min,所有操作在超凈臺內(nèi)進(jìn)行。
將上述制備的5種濕潤微膠囊于-20℃預(yù)凍12 h,然后放入真空冷凍干燥機(jī)于-60℃冷凍干燥48 h,得到凍干微膠囊,分裝在鋁箔紙中,抽真空密封包裝,存放于-20℃?zhèn)溆茫謩e命名為1’~5’號。
1.3.5 微膠囊包埋活菌計數(shù)[22]
稱取濕微膠囊樣品1 g(凍干微膠囊為0.1 g),置于9 mL解囊液中,37℃、150 r/min振蕩溶解,待其完全溶解后,梯度稀釋,選取合適的稀釋度(使活菌數(shù)在30~300 CFU/g范圍內(nèi)),采用亨蓋特計數(shù)法進(jìn)行滾管計數(shù)。
1.3.6 微膠囊包埋率測定
稱取濕微膠囊樣品1 g,分散于50 mL稀釋液中,37℃恒溫水浴振蕩,處理30 min。取稀釋液活菌計數(shù),按照公式(1)計算微膠囊包埋率。
式中:C1為所測稀釋液中的活菌數(shù)/(CFU/g);C0為起始添加的活菌數(shù)/(CFU/g)。
1.3.7 微膠囊在酸奶中的穩(wěn)定性測定
將濕潤微膠囊約1 g加入市售杯狀酸奶中,密封,4℃冰箱放置。分別在0、2、5、10、15、21 d取出一杯,用0.9%生理鹽水沖洗微膠囊,準(zhǔn)確稱取1 g,進(jìn)行雙歧桿菌選擇性計數(shù),檢測存活菌數(shù)。同時以加入109~1010CFU/g未包埋菌體的酸奶作對照。
1.3.8 貯藏加速實驗[23]
經(jīng)典恒溫加速實驗的理論依據(jù)是Arrhenius指數(shù)定律,式(2)為Arrhenius方程。
式中:k為失活速率常數(shù)/min;k0為前因子(又稱頻率因子)/min;Ea為表觀活化能/(J/mol);T為絕對溫度/K;R為氣體常數(shù)(8.314 4 J/(mol?K))。
將公式(2)取對數(shù),即得到公式(3)。
準(zhǔn)確稱取凍干膠囊0.1 g,分裝在鉑紙袋中,抽真空密封包裝。放置于60、55、50、45℃恒溫恒濕培養(yǎng)箱中,分別在0、1、2、3、4 h取出一袋,進(jìn)行活菌計數(shù)。記測得的活菌數(shù)為C1,初始微膠囊中活菌數(shù)為C0。求出各溫度條件下保存不同時間后的相對活性Cr(Cr=C1/C0)。以lgCr對時間t進(jìn)行回歸分析,得出各溫度條件下微膠囊的失活速率常數(shù)k,將lnk對1/T×103進(jìn)行回歸分析,得到Arrhenius方程。根據(jù)Arrhenius方程可以求出室溫25℃(T=298.15 K)時的失活速率常數(shù)k25℃,假設(shè)雙歧桿菌數(shù)量由108CFU/g 降低到106CFU/g,即lgCr=lg(C/C0)=-2,根據(jù)t=lgCr/k25℃,求出25℃條件下微膠囊的貯藏時間/h。
1.3.9 耐胃酸實驗
稱取濕微膠囊樣品l g(凍干微膠囊加入量為0.1 g),置于9 mL模擬胃液中,于37℃恒溫貯藏,分別于0、l、2 h后取出1 管,用0.9%生理鹽水沖洗,進(jìn)行活菌計數(shù)。同時以109~1010CFU/g未包埋菌體加入模擬胃液作對照。
1.3.10 腸道釋放性實驗
稱取濕微膠囊樣品l g(凍干微膠囊加入量為0.1 g),置于9 mL模擬腸液中,于37℃、150 r/min振蕩培養(yǎng)。分別于0、1、2、3、4、5、6 h取出1 管,直接吸取模擬腸液,測定其在600 nm波長處的吸光度。
圖1 不同濕微膠囊成型效果Fig.1 Wet microcapsules
如圖1所示,5種濕微膠囊成型效果好,呈均勻球形。1號微膠囊為亮白色,微透明。2號和3號微膠囊由于加了乳清蛋白而呈乳白色,透明度比1號差。4號和5號微膠囊由于加了VE,顏色為米黃色,不透明。2號和3號、4號和5號只是制備環(huán)境不同,形態(tài)相差不大。用數(shù)顯千分尺測量微膠囊顆粒的直徑,5種微膠囊粒徑分布均勻,差別不大,大約為2.4 mm。
圖2 凍干微膠囊成型效果Fig.2 Freeze-dried microcapsules
如圖2所示,濕微膠囊凍干后仍為球體,表面粗糙不平滑。凍干后微膠囊粒徑減小,其中1’號凍干微膠囊的粒徑減少最為明顯,這是由于單純海藻酸鈉作為壁材微膠囊具有多孔性,強(qiáng)度不夠,凍干過程會影響其結(jié)構(gòu)[24];4’、5’號凍干微膠囊粒徑約為2.15 mm,比2’、3’號凍干微膠囊大0.25 mm左右,這是由于4’、5’號凍干微膠囊雙乳化體系中含有油相VE,凍干時不會揮發(fā)而留在微膠囊內(nèi)部,同時對于穩(wěn)定微膠囊的空間結(jié)構(gòu)也起到一定作用,因此二者的粒徑相對較大。
包埋率是評價微膠囊包埋效果的重要指標(biāo),如圖3所示,5種微膠囊的包埋率均在95%以上,不同壁材組成對微膠囊包埋率的影響不大(P>0.05),這與劉茜等[22]采用2%海藻酸鈉包埋干酪乳桿菌的效果一致(包埋率95.80%)。海藻酸鈉是生物大分子,當(dāng)海藻酸鈉與鈣離子接觸形成海藻酸鈣時,羧酸根陰離子與鈣離子之間交聯(lián)結(jié)合成“蛋盒”式結(jié)構(gòu),最終形成三維網(wǎng)絡(luò)狀的凝膠[22],在微膠囊表面形成一層致密的保護(hù)膜,增加了微膠囊的強(qiáng)度[24],使芯材較多地保留在微膠囊中,所以微膠囊對益生菌的包埋率較高,實驗中添加的耐酸耐氧材料如乳清分離蛋白、VE等并未對包埋效果產(chǎn)生顯著影響[25]。
圖3 不同微膠囊的包埋率Fig.3 The encapsulation efficiency of microcapsules
圖4 貯藏期間微膠囊在酸奶中活菌數(shù)的變化Fig.4 Ssurvivability curve of BBMN68 microcapsules in yogurt
由圖4可知,將未包埋和經(jīng)微膠囊包埋的菌體添加到酸奶中,在酸奶的保質(zhì)期(4℃,21 d)內(nèi),活菌數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢。其中,添加未包埋雙歧桿菌的酸奶中在第21天已無活菌檢出。相比未包埋菌體,1號微膠囊中活菌數(shù)略高,在第21天活菌數(shù)下降至103CFU/g以下,2號和3號微膠囊分別約為104CFU/g和105CFU/g,高出1號約兩個數(shù)量級,4號和5號微膠囊接近107CFU/g ,高于1號4個數(shù)量級,這主要是由于1號微膠囊單純以海藻酸鈉為壁材,制備的微膠囊中鈣離子會與酸奶中乳酸菌發(fā)酵生成的乳酸、醋酸等物質(zhì)螯合,從而破壞海藻酸鈣壁材的穩(wěn)定性,使氫離子進(jìn)入微膠囊內(nèi)部,造成雙歧桿菌的急劇死亡[26];2號和3號微膠囊采用乳清蛋白和海藻酸鈉復(fù)合作為壁材,在酸奶pH 4.5的條件下,乳清蛋白帶正電荷,海藻酸鈉帶負(fù)電荷,乳清蛋白與海藻酸鈉可以以靜電相互作用結(jié)合形成緊密的壁材,從而抵消鈣離子被酸根螯合所帶來的負(fù)面影響,仍可起到較好的保護(hù)作用[11-12],其中3號微膠囊的包埋率略高于2號,可能與制備過程采用氮氣環(huán)境,使微膠囊內(nèi)部殘留空氣較少有關(guān);4號和5號微膠囊先采用VE對雙歧桿菌進(jìn)行保護(hù),然后再采用雙乳化技術(shù)對芯材進(jìn)行包埋,VE可以實現(xiàn)對氧氣和氫離子的雙重隔絕,顯著提高雙歧桿菌的存活率,并且VE的保護(hù)效果要明顯優(yōu)于氮氣環(huán)境。此外,4號和5號微膠囊在酸奶保質(zhì)期內(nèi),活菌數(shù)保持在106CFU/g以上,符合GB/T 21732—2008《含乳飲料》[27]的規(guī)定,同時兩者活菌數(shù)并無顯著差異,為了簡化制備工藝,可采用4號微膠囊添加至酸奶中。市場上酸奶飲品中乳酸菌的添加形式多為菌體的直接添加,在酸奶中直接添加長雙歧桿菌BBMN68時,在保質(zhì)期內(nèi)活菌數(shù)下降較快,經(jīng)微膠囊包埋可以提高其存活效果,并增強(qiáng)了其應(yīng)用效果。
由于1’號微膠囊經(jīng)過凍干后每克微膠囊的活菌數(shù)小于106CFU,而其他凍干微膠囊活菌數(shù)均達(dá)到108CFU以上,因此只對2’、3’、4’和5’號凍干微膠囊進(jìn)行貯藏加速實驗。
由貯藏加速實驗得到的數(shù)據(jù)計算凍干微膠囊在不同溫度下的失活常數(shù)k,將lnk對1/T×103進(jìn)行回歸分析可以到斜率和截距,如圖5所示,得到Arrhenius方程列于表1。
圖5 lnk對1/T×103進(jìn)行回歸分析Fig.5 Regression analysis of lnk against 1/T × 103
表1 凍干微膠囊在不同溫度條件下的失活速率常數(shù)Table1 Deactivation constants of freeze-dried microcapsules at different temperatures
4種凍干微膠囊的貯藏時間如表2所示,3’號凍干微膠囊貯藏期最長,為75 d,4’號凍干微膠囊貯藏期最短,僅為14 d。這里得到了與濕微膠囊相反的結(jié)果,氮氣環(huán)境下制備的微膠囊凍干后的理論貯藏期要明顯優(yōu)于加入VE制備的微膠囊凍干后的理論貯藏期。這主要是由于凍干微膠囊中的雙歧桿菌在貯藏期內(nèi)遵循細(xì)菌饑餓存活原理[28],即雙歧桿菌在干燥形式下長期處于饑餓狀態(tài)時,可進(jìn)入一種不能生長繁殖,但仍然存活的特殊存在形式,使菌體不僅能忍受饑餓的環(huán)境,對外界不利因素的抵抗力也增強(qiáng),同時采用微膠囊化技術(shù)可以使雙歧桿菌表面包上一層保護(hù)膜,令其與外界環(huán)境隔離,增強(qiáng)了對外界不利環(huán)境的抵抗力,因此雙歧桿菌在干燥狀態(tài)下仍然可以存活。然而含有VE的微膠囊在凍干過程中,油相VE阻止了內(nèi)水相中水分的揮發(fā),導(dǎo)致凍干后微膠囊中水分含量依然很高,處于饑餓存活狀態(tài)下的雙歧桿菌在高水分活度環(huán)境中開始復(fù)蘇并進(jìn)行代謝活動,從而加速了雙歧桿菌的脫水死亡[29-30],使得雙歧桿菌含量下降。
表2 室溫25℃條件下凍干微膠囊的貯藏期Table2 Storage life of freeze-dried microcapsules at 25℃
由貯藏加速實驗可知,3’號凍干膠囊貯藏期最長,因此選用3’號凍干微膠囊進(jìn)行后續(xù)的耐胃酸和腸溶實驗評價。
為了解雙歧桿菌微膠囊在實際人體應(yīng)用中的效果,采用模擬胃腸實驗對上述5種濕潤微膠囊和3’號凍干微膠囊進(jìn)行評價。
2.5.1 耐胃酸實驗結(jié)果
圖6 微膠囊和菌體在模擬胃液中活菌數(shù)的變化Fig.6 Survivability curves of encapsuled and non-encapsuled BBMN68 in simulated gastric juice
如圖6所示,隨著處理時間的延長,菌體在模擬胃液中的存活數(shù)逐漸降低。經(jīng)過模擬胃液處理2.0 h后,未包埋菌體全部死亡,表明了高濃度的氫離子對于雙歧桿菌具有強(qiáng)烈的破壞性。1號微膠囊由于采用單純海藻酸鈉為壁材,耐胃酸能力有限,在模擬胃液中處理2 h后,活菌數(shù)下降至105CFU/g。2~5號微膠囊在模擬胃液中處理2.0 h后活菌數(shù)仍達(dá)到107CFU/g,然而在處理前期1.0 h時,4號和5號微膠囊的活菌數(shù)要比2號和3號微膠囊高出將近1個數(shù)量級,這是由于處理前期進(jìn)入外水相的氫離子并未能全部穿透油相VE膜,從而對雙歧桿菌起到了較好的保護(hù)作用,而隨著處理時間的延長,穿透過油相VE膜的氫離子逐漸增加,因此活菌數(shù)也逐漸下降。食物在胃腸道內(nèi)的消化時間大約在2 h左右,因此上述2~5號4種微膠囊都能滿足良好保護(hù)和運載的要求(1號濕微膠囊在酸奶(pH 6.0)中的穩(wěn)定性實驗是為了說明模擬實際產(chǎn)品環(huán)境中的保護(hù)效果,在8 d左右仍能符合國家乳制品乳酸菌標(biāo)準(zhǔn);而模擬胃液實驗是為了驗證在實際人體胃腸系統(tǒng)中的保護(hù)效果,在胃液(pH 2.0)中1 h活菌數(shù)仍能保持在106CFU/g以上,兩者從不同層面說明壁材的保護(hù)效果,并提供實際應(yīng)用參考)。
然而與濕微膠囊相比,凍干后微膠囊(3’號)的耐胃酸能力明顯降低,在模擬胃液中處理1 h后活菌數(shù)下降了3.5個數(shù)量級,2 h后活菌數(shù)下降至103CFU/g。
2.5.2 腸道釋放性實驗結(jié)果
圖7 在模擬腸液中包埋雙歧桿菌的溶出Fig.7 Dissolution of encapsuled BBMN68 in simulated intestinal fluid
由圖7可知,5種濕微膠囊在模擬腸液中處理的前1 h,模擬腸液的吸光度迅速上升,1~2 h略有上升,2 h后,吸光度基本穩(wěn)定,說明大部分濕微膠囊在腸液中2 h即可完全崩解釋放雙歧桿菌。3’號凍干微膠囊在模擬腸液中處理3 h吸光度達(dá)到最大,3 h后,吸光度不再發(fā)生明顯變化,說明凍干微膠囊在腸液中需要3 h可以完全崩解釋放,由于凍干微膠囊在腸溶過程中需經(jīng)歷吸水階段,所以其完全崩解需要更長的時間。
從結(jié)果推論,長雙歧桿菌BBMN68微膠囊在模擬腸液中處理3 h后可以完全溶解,具有腸溶效果,大部分雙歧桿菌得到釋放。
以海藻酸鈉和乳清分離蛋白為壁材,添加VE形成乳狀液,采用擠壓法制備長雙歧桿菌BBMN68微膠囊,大大提高了其在酸奶制品中的存活率,同時凍干微膠囊也具有良好的貯存效果。應(yīng)用于酸奶的濕微膠囊制備工藝為:10% VE、3% WPI和2% AL形成雙乳狀液;凍干微膠囊的制備工藝為:3% WPI和2% AL在氮氣環(huán)境中制備。通過上述工藝制備的雙歧桿菌微膠囊產(chǎn)品,不僅可以良好地解決實際生產(chǎn)中雙歧桿菌在奶制品中的應(yīng)用問題,提高實際菌體存活率,同時也提供了一種新型有效的補(bǔ)充腸道益生菌的形式,提高了益生菌的應(yīng)用價值。
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