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        RS3型秈米抗性淀粉制備方法對(duì)其結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的影響

        2017-10-17 09:21:48歐陽夢(mèng)云趙傳文
        食品與機(jī)械 2017年8期
        關(guān)鍵詞:秈米普魯蘭晶種

        歐陽夢(mèng)云 王 燕 趙傳文

        (1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410128;2. 長(zhǎng)沙凱雪糧油食品有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410008)

        RS3型秈米抗性淀粉制備方法對(duì)其結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的影響

        歐陽夢(mèng)云1王 燕1趙傳文2

        (1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410128;2. 長(zhǎng)沙凱雪糧油食品有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410008)

        以微波預(yù)糊化秈米淀粉為原料,研究超聲間歇式輔助雙酶法和晶種誘導(dǎo)-雙酶法對(duì)RS3型秈米抗性淀粉結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的影響。結(jié)果表明,原料淀粉呈多面體結(jié)構(gòu),表面邊界棱角分明,顆粒晶型為A型,結(jié)晶度僅為8.9%;而超聲間歇式輔助雙酶法和晶種誘導(dǎo)—雙酶法所得RS3型秈米抗性淀粉,表面變得粗糙,凹凸不平,出現(xiàn)“蜂窩” 狀結(jié)構(gòu),其溶解度、膨脹度及持水力均降低,顆粒晶型表現(xiàn)為致密且穩(wěn)定的B型或B+V型結(jié)構(gòu),結(jié)晶度最高可達(dá)20.10%,且在RS3形成過程中無新官能團(tuán)產(chǎn)生,淀粉的化學(xué)結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變。兩種制備工藝在酶添加順序上,先添加普魯蘭酶后添加異淀粉酶可較優(yōu)地促進(jìn)淀粉晶體形成有序結(jié)構(gòu)。

        RS3型秈米;抗性淀粉;X-射線衍射;紅外光譜

        Abstract:The indica starch pregelatinized by microwave as raw material, the effect of ultrasonic auxiliary-dual enzyme method and seed induced-dual enzyme method on the structure and physicochemical properties of indica rice resistant starch of type RS3were researched in this study. The results showed that the structure of the raw starch was polyhedron, the edge of the surface was distinct, the crystal form was type A, and the crystallinity was only 8.9%. While the structure of RS3were made by ultrasonic auxiliary-dual enzyme method and seed induced-dual enzyme method became rough and uneven, the solubility, swelling degree and water holding capacity were decreased, the crystal forms were dense and stable type B or type B+V, and the highest crystallinity was 20.10%. There was no new functional group was formed during the formation process of RS3and their chemical structure has not changed. The enzyme addition sequence showed that pullulanase was added before isoamylase better to promote starch crystal formation of ordered structure.

        Keywords:indica rice resistant starch of type RS3; X-ray diffraction; infrared spectroscopy

        RS3型抗性淀粉又稱為回生或重結(jié)晶淀粉,這類淀粉即使經(jīng)加熱處理,也難以被淀粉酶類消化,RS3除具有抗性淀粉獨(dú)特的生理功能外,還具有晶體粒度細(xì)小、風(fēng)味良好、顏色白皙、溶解度低等特點(diǎn),可很好地替代膳食纖維,作為一種良好的食品功能因子運(yùn)用于保健食品的研制和開發(fā)[1-3]。RS3主要由回生重結(jié)晶的直鏈淀粉組成,因此淀粉中直鏈淀粉含量高低直接影響RS3產(chǎn)率。目前國(guó)內(nèi)外以RS3作為食品功能因子的研究還處于基礎(chǔ)階段,研發(fā)的產(chǎn)品主要有主食制品[4-5]、烘焙食品[6-7]、飲料及發(fā)酵制品[8-9]、膨化食品[10-11]等。RS3制備工藝上的創(chuàng)新及產(chǎn)率的提高日益成為食品科學(xué)家和營(yíng)養(yǎng)學(xué)家研究的熱點(diǎn)之一。秈米因其粗糙的口感、易碎、較差的加工品質(zhì)和易陳化等劣勢(shì),商品價(jià)值極低。研究[12]表明,秈米淀粉中直鏈淀粉含量遠(yuǎn)高于粳米和糯米,是極好的生產(chǎn)抗性淀粉原料,而自然條件下秈米淀粉中僅含抗性淀粉1.0%~2.1%。歐陽夢(mèng)云等[13]對(duì)超聲間歇輔助異淀粉酶和普魯蘭酶分步脫支制備RS3型秈米抗性淀粉的工藝進(jìn)行了優(yōu)化,此方法避免了目前研究中使用液化酶導(dǎo)致直鏈淀粉損失且產(chǎn)生大量糊精影響RS3生成等負(fù)面影響,但尚未對(duì)試驗(yàn)所得RS3的理化性質(zhì)做出分析。晶種誘導(dǎo)技術(shù)是指在分子重結(jié)晶前期晶核將要形成時(shí)加入少量晶種,通過有效降低溶液過飽和度,縮短析晶時(shí)間,提高產(chǎn)率[14]。馬鈴薯含有豐富的直鏈淀粉,可作為制備RS3晶種的原料。晶種誘導(dǎo)技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于分子篩領(lǐng)域[15-17],自2013年起已有少部分文獻(xiàn)以該方法制備抗性淀粉[18-19],而以晶種誘導(dǎo)復(fù)合異淀粉酶、普魯蘭酶的分步脫支酶解過程制備RS3型秈米抗性淀粉的研究還未見報(bào)道。

        本研究以微波預(yù)糊化秈米淀粉為原料,擬采用超聲間歇式輔助雙酶法和晶種誘導(dǎo)-雙酶法制備RS3型秈米抗性淀粉,并對(duì)試驗(yàn)所得RS3的溶解度、膨脹度和持水力,及掃描電鏡、X-射線衍射、傅里葉紅外光譜結(jié)果進(jìn)行分析,探究超聲間歇式輔助雙酶法和晶種誘導(dǎo)-雙酶法促進(jìn)秈米淀粉回生的原因。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        秈米碎米:購自湖南邵陽;

        馬鈴薯淀粉:市售;

        異淀粉酶:50 000 U/g,天津拓程生物科技有限公司;

        普魯蘭酶:1 000 ASPU/mL,江蘇銳陽生物科技有限公司;

        葡萄糖淀粉酶:≥100 Units/mg,上海瑞永生物科技有限公司;

        耐高溫α-淀粉酶:≥4 000 U/g,上海瑞永生物科技有限公司;

        胃蛋白酶:≥1 200 U/g,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;

        其他試劑均為化學(xué)純國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

        1.2 儀器與設(shè)備

        恒溫水浴鍋:B-260型,上海亞榮生化儀器廠;

        美的微波爐:EG23B-DC(F)型,廣東美的微波爐制造有限公司;

        數(shù)控超聲波清洗器:KQ-100DE型,昆山市超聲儀器有限公司;

        電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:DHG-9240A型,上海飛越實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;

        紫外分光光度計(jì):UV-2450型,日本島津公司;

        傅里葉紅外光譜儀:VECTOR33型,德國(guó)Bruker公司;

        射線衍射儀:D/MAX-3AX型,日本理學(xué)公司;

        掃描電子顯微鏡:JSM-6360LV型,日本電子公司。

        1.3 方法

        1.3.1 微波預(yù)糊化秈米淀粉的制備 參考文獻(xiàn)[13,20]制備微波預(yù)糊化秈米淀粉Mic-PS。

        1.3.2 RS3型秈米抗性淀粉的超聲間歇式輔助雙酶法制備

        以微波預(yù)糊化秈米淀粉為原料,利用超聲波間歇式輔助異淀粉酶和普魯蘭酶的分步脫支酶解制備RS3型秈米抗性淀粉,具體步驟參照文獻(xiàn)[21]。RS3型秈米抗性淀粉的超聲間歇式輔助雙酶法制備工藝中異淀粉酶和普魯蘭酶的添加順序與試樣名稱見表1。

        表1 雙酶添加順序與試樣名稱

        1.3.3 RS3型秈米抗性淀粉的晶種誘導(dǎo)-雙酶法制備 稱取10 g馬鈴薯全粉,用蒸餾水配制淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的馬鈴薯淀粉乳,85 ℃水浴條件下預(yù)糊化30 min,直至淀粉乳呈透明凝膠狀后再于120 ℃高壓條件下處理30 min,冷卻后置于4 ℃冰箱中冷藏24 h。參考Goni法[22]對(duì)淀粉乳純化處理后制得RS3型馬鈴薯抗性淀粉濕晶種。

        稱取適量微波預(yù)糊化秈米淀粉,用pH為5.0的磷酸鹽緩沖溶液配制淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的淀粉乳,85 ℃恒溫水浴條件下處理30 min,降溫至50 ℃,恒溫條件下添加異淀粉酶8 U/g,異淀粉酶酶解4 h,85 ℃恒溫水浴條件下滅酶10 min,冷卻,用0.1 mol/L HCl調(diào)pH至4.5,60 ℃恒溫水浴條件下添加普魯蘭酶8 U/g,普魯蘭酶酶解3.5 h,85 ℃恒溫水浴條件下滅酶10 min,冷卻至40 ℃,添加濕晶種5%,混勻后將淀粉乳迅速置于4 ℃冰箱回生24 h。RS3型秈米抗性淀粉的純化參考Goni法[22],70 ℃烘箱中烘干8 h,備用。RS3型秈米抗性淀粉的晶種誘導(dǎo)-雙酶法制備工藝中異淀粉酶和普魯蘭酶的添加順序與試樣名稱見表2。

        表2 雙酶添加順序與試樣名稱

        1.3.4 顆粒形態(tài) 利用掃描電鏡分析Mic-PS、U-PI-RS3、U-IP-RS3、S-PI-RS3和S-IP-RS3顆粒形態(tài)[23]。

        1.3.5 溶解度、膨脹度及持水力的測(cè)定 Mic-PS、U-PI-RS3、U-IP-RS3、S-PI-RS3和S-IP-RS3的溶解度、膨脹度和持水力測(cè)定參考文獻(xiàn)[24~26]。

        1.3.6 X-射線衍射 利用X-射線衍射分析Mic-PS、U-PI-RS3、U-IP-RS3、S-PI-RS3和S-IP-RS3晶體形態(tài)。衍射條件:特征射線CuKα,石墨單色器,管電壓40 kV,管電流30 mA,掃描范圍2θ為470°,掃描速度10/min[27]。試樣的結(jié)晶度為微晶區(qū)面積與微晶區(qū)和亞微晶區(qū)面積和的比值[28-29]。

        1.3.7 傅里葉紅外光譜 利用傅里葉紅外光譜分析Mic-PS、U-PI-RS3、U-IP-RS3、S-PI-RS3和S-IP-RS3分子基團(tuán)變化[30]。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 RS3型秈米抗性淀粉顆粒形態(tài)分析

        由圖1可知,微波預(yù)糊化秈米淀粉Mic-PS呈多面體狀,周圍邊界清晰,棱角分明,表面有些許爆裂微孔和酥松絮狀物。其原因可能是水分子在微波高頻電場(chǎng)的作用下反復(fù)快速取向轉(zhuǎn)動(dòng),摩擦加劇生熱,導(dǎo)致淀粉分子在高溫下爆裂。這些酥松微孔增大了脫支酶與底物的接觸面積。U-IP-RS3、U-PI-RS3、S-IP-RS3和S-PI-RS3都失去原有淀粉顆粒形貌,無明顯邊界,表面變得透明光亮,都呈現(xiàn)明顯的“蜂窩”狀結(jié)構(gòu),S-IP-RS3出現(xiàn)了深陷溝壑,依稀還可以看見片層樣結(jié)構(gòu),U-PI-RS3表面變得凹凸不平,塌陷結(jié)構(gòu)非常明顯。分析原因可能是超聲波的空穴作用使淀粉分子內(nèi)產(chǎn)生局部高溫,淀粉顆粒吸水膨脹,超聲停止后,取出物料,淀粉瞬間遇冷而形成分子內(nèi)外壓差,顆粒表面形成塌陷。淀粉分子充分發(fā)生水合作用凝膠化后,異淀粉酶和普魯蘭酶都專一性破壞支鏈淀粉的α-1,6糖苷鍵,生成大量鏈長(zhǎng)不等的直鏈淀粉,在冷藏過程中,呈無序態(tài)的直鏈淀粉通過氫鍵重新相互締合形成穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu),晶種誘導(dǎo)工藝因體系中添加的少量RS3晶種而降低了溶液過飽和度,直鏈淀粉不僅可相互締合形成致密微晶束,還可使直鏈淀粉在較低的過飽和度時(shí)以外加晶種為籽晶包覆長(zhǎng)晶。RS3晶體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)致密而堅(jiān)硬,具有較強(qiáng)的抗酶解能力。

        圖1 原料淀粉與RS3的電鏡掃描照片

        2.2 制備方法對(duì)RS3型秈米抗性淀粉溶解度、膨脹度、持水力的影響

        游離直鏈淀粉易溶于水,是影響淀粉溶解度的主要原因。淀粉懸浮液在加熱過程中,其顆粒微晶束結(jié)構(gòu)發(fā)生改變呈多孔片層狀,內(nèi)部直鏈淀粉從膨脹的淀粉顆粒小孔中游離出來而被溶解,水分子也會(huì)滲入小孔進(jìn)入顆粒內(nèi)部,使淀粉分子發(fā)生水合作用形成一種共聚膠狀物,促使體積膨脹,直鏈淀粉和支鏈淀粉的極性分子與水分子發(fā)生締合,表現(xiàn)出一定的持水能力。淀粉的膨脹程度也由淀粉中支鏈淀粉含量決定,可反映出淀粉晶體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱以及淀粉顆粒的緊密性。淀粉的膨脹度與持水力呈正相關(guān)。由表3可知,Mic-PS的溶解度、膨脹度及持水力均較高。分析原因可能是Mic-PS表面產(chǎn)生的大量爆裂微孔為分子內(nèi)直鏈淀粉的溶出提供了良好的“通道”,此時(shí)試樣中支鏈淀粉含量也較高,所以溶解度和膨脹度都較高,持水力也維持在較高水平,也可說明Mic-PS的晶體結(jié)構(gòu)很弱,顆粒松散,結(jié)構(gòu)易改變。與Mic-PS相比,U-IP-RS3、U-PI-RS3、S-IP-RS3及S-PI-RS3溶解度、膨脹度及持水力都出現(xiàn)了很大程度的下降,兩種制備工藝條件淀粉經(jīng)異淀粉酶和普魯蘭酶分步脫支處理后,直鏈淀粉含量大幅度增加而水溶解程度降低,是因?yàn)橹辨湹矸墼诶洳剡^程中通過氫鍵相互締合成致密的雙螺旋結(jié)構(gòu),最后形成難以復(fù)水的高聚結(jié)晶體,在加熱過程中也不被分解。說明兩種制備工藝均能形成結(jié)構(gòu)致密,穩(wěn)定性較好的RS3晶體,特別是S-IP-RS3,其表現(xiàn)出的低溶解度和膨脹度,非常適宜作為飲料的食品功能添加因子,可提高不透明度和懸浮度。

        表3原料淀粉與RS3的溶解度、膨脹度及持水力

        Table 3 Solubility, swelling power and water holding capacity of raw starch and indica RS3 %

        2.3 X-射線衍射分析

        淀粉晶體顆粒是一種含有非結(jié)晶區(qū)和結(jié)晶區(qū)的多晶聚合物,對(duì)其進(jìn)行一定角度內(nèi)的X-射線衍射有衍射峰出現(xiàn),根據(jù)其特征峰出現(xiàn)位置可判斷各種淀粉的結(jié)晶晶型,分為A、B、C、V 四類,一般經(jīng)過糊化后的淀粉含有V型結(jié)晶。相對(duì)結(jié)晶度可表示為淀粉顆粒中的微結(jié)晶區(qū)面積比上亞微結(jié)晶區(qū)面積與微結(jié)晶區(qū)面積之和,根據(jù)30°以內(nèi)的衍射峰值可計(jì)算顆粒的相對(duì)結(jié)晶度,結(jié)果見表4。

        由圖2、3可知,微波預(yù)糊化淀粉Mic-PS在15°,17°,19°,23°處有強(qiáng)衍射峰,13°處有較微弱衍射峰,說明Mic-PS的結(jié)晶結(jié)構(gòu)為A型。與Mic-PS相比,U-IP-RS3在15°,17°處無明顯衍射峰,在22°,24°處出現(xiàn)較弱衍射峰,表現(xiàn)為弱B型結(jié)構(gòu),說明超聲輔助先異淀粉酶后普魯蘭酶的脫支酶解工藝使秈米淀粉的結(jié)晶區(qū)遭受破壞,低溫凝沉重結(jié)晶效果不理想;而U-PI-RS3、S-IP-RS3及S-PI-RS3均在15°,17°,22°,24°處出現(xiàn)明顯衍射峰,在13°,20°處也出現(xiàn)了較明顯衍射峰,表現(xiàn)為B+V型結(jié)構(gòu),且晶種誘導(dǎo)輔助先異淀粉酶后普魯蘭酶的脫支酶解工藝制得的S-IP-RS3表現(xiàn)出特征衍射峰最為強(qiáng)烈,其B+V型結(jié)晶結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定。表現(xiàn)出V型結(jié)構(gòu)除因淀粉糊化導(dǎo)致,還可能是脫支酶對(duì)秈米支鏈淀粉的脫支處理生成了較多的直鏈淀粉,其與原料中未脫除干凈的脂質(zhì)作用形成復(fù)合物,這種復(fù)合物表現(xiàn)出較強(qiáng)穩(wěn)定性。

        圖2 原料淀粉與超聲輔助雙酶法制得RS3 的X-射線衍射圖Figure 2 X-ray diffraction pattern of raw starch and indica RS3 prepared by ultrasonic auxiliary-dual enzyme method

        圖3 原料淀粉與晶種誘導(dǎo)-雙酶法制得RS3的X-射線衍射圖Figure 3 X-ray diffraction pattern of raw starch and indica RS3 prepared by seed induced-dual enzyme method

        樣品相對(duì)結(jié)晶度/%晶型結(jié)構(gòu)Mic-PS8.96AU-IP-RS315.82BU-PI-RS317.81B+VS-IP-RS318.69B+VS-PI-RS320.10B+V

        2.4 紅外光譜分析

        由圖4可知,Mic-PS、U-IP-RS3、U-PI-RS3、S-IP-RS3和S-PI-RS3的紅外光譜基本輪廓相似,說明兩種制備RS3型秈米抗性淀粉的工藝過程中沒有新官能團(tuán)產(chǎn)生,其化學(xué)結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變。圖譜在基團(tuán)頻率區(qū)(4 000~1 350 cm-1)和指紋區(qū)(1 350~400 cm-1)產(chǎn)生的較小差異屬于物理變化。3 740 cm-1歸屬為淀粉—OH的伸縮振動(dòng);3 404 cm-1處出現(xiàn)的寬而強(qiáng)的吸收峰為羥基的伸縮振動(dòng);1 478 cm-1為—CH2的彎曲振動(dòng)峰;1 182 cm-1附近的峰為淀粉中C—O和C—C的伸縮振動(dòng),屬于淀粉規(guī)則線團(tuán)結(jié)構(gòu),可表示為淀粉結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)特征;1 020 cm-1為氫鍵的變化吸收峰;950 cm-1為吡喃環(huán)的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)。與Mic-PS相比,U-PI-RS3、S-IP-RS3和S-PI-RS3都出現(xiàn)了非常明顯的—OH伸縮振動(dòng)峰,其原因可能是異淀粉酶和普魯蘭酶對(duì)支鏈淀粉的脫支作用,使體系中直鏈淀粉含量增加,促使更多—OH生成。U-PI-RS3、U-IP-RS3、S-PI-RS3和S-IP-RS3在1 478 cm-1附近的—CH2彎曲振動(dòng)都增強(qiáng),說明淀粉經(jīng)超聲輔助雙酶法和晶種誘導(dǎo)-雙酶法處理后,產(chǎn)生了更多碳不飽和鍵。4種RS3在1 182 cm-1處的吸收峰均增強(qiáng),說明兩種工藝的處理均使淀粉晶體排列更為有序,5種淀粉在1 182 cm-1處的吸收峰強(qiáng)弱為S-PI-RS3>U-PI-RS3>S-IP-RS3>U-IP-RS3>Mic-PS,說明先添加普魯蘭酶后添加異淀粉酶可較優(yōu)地促進(jìn)淀粉晶體形成有序結(jié)構(gòu)。

        圖4 原料淀粉與RS3的紅外光譜圖

        3 結(jié)論

        (1) 微波預(yù)糊化秈米淀粉有明顯的邊界,呈多面體狀;而RS3秈米抗性淀粉失去原有淀粉形貌,表面呈現(xiàn)“蜂窩”狀、溝壑及片層樣結(jié)構(gòu),晶體結(jié)構(gòu)致密且堅(jiān)硬。

        (2) 超聲間歇式輔助雙酶法和晶種誘導(dǎo)-雙酶法制得RS3的溶解度、膨脹度和持水力均低于微波預(yù)糊化秈米淀粉,表明兩種制備工藝都能制得穩(wěn)定性好,結(jié)構(gòu)致密,不易被淀粉酶類水解的RS3晶體。

        (3) 微波預(yù)糊化秈米淀粉為A型結(jié)構(gòu),結(jié)晶度僅為8.96%;晶種誘導(dǎo)-雙酶法制得RS3均表現(xiàn)為B+V型結(jié)構(gòu);超聲間歇式輔助雙酶法,當(dāng)酶添加順序?yàn)橄犬惖矸勖负笃蒸斕m酶時(shí),所得RS3表現(xiàn)為B型結(jié)構(gòu),當(dāng)酶添加順序?yàn)橄绕蒸斕m酶有異淀粉酶時(shí),所得RS3呈現(xiàn)出B+V型結(jié)構(gòu)。說明晶種誘導(dǎo)-雙酶法較超聲間歇式輔助雙酶法更能有效促進(jìn)秈米淀粉回生,試驗(yàn)所得RS3的結(jié)晶度最高可達(dá)20.10%。

        (4) 微波預(yù)糊化秈米淀粉與超聲間歇式輔助雙酶法和晶種誘導(dǎo)-雙酶法制得RS3的紅外光譜圖基本輪廓相似,說明兩種制備工藝均未改變秈米淀粉的化學(xué)結(jié)構(gòu)。根據(jù)兩種制備工藝所得RS3在淀粉結(jié)晶區(qū)(1 182 cm-1)附近的吸收峰強(qiáng)弱,表明在酶添加順序上,以先添加普魯蘭酶后添加異淀粉酶可較優(yōu)地促進(jìn)RS3生成。

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        Effect of preparation method on physical and chemical properties of indica rice resistant starch of type RS3

        OU-YANG Meng-yun1WANGYan1ZHAOChuan-wen2

        (1.CollegeofFoodScienceandTechnology,HunanAgriculturalUniversity,Changsha,Hunan410128,China; 2.ChangshaKaixueGrainandOilFoodCo.,Ltd.,Changsha,Hunan410008,China)

        10.13652/j.issn.1003-5788.2017.08.004

        歐陽夢(mèng)云,女,湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生。

        王燕(1968—),女,湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授,博士。 E-mail:693675748@qq.com

        2017—05—09

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