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        利用酶法測定稻米支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)

        2018-05-09 07:55:00周慧穎歐陽林娟彭小松朱昌蘭陳小榮傅軍如邊建民胡麗芳賀浩華賀曉鵬
        中國糧油學(xué)報 2018年4期
        關(guān)鍵詞:體系

        周慧穎 歐陽林娟 彭小松 朱昌蘭 陳小榮 傅軍如 邊建民 胡麗芳 賀浩華 賀曉鵬

        (江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點實驗室;雙季稻現(xiàn)代化生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心,南昌 330045)

        支鏈淀粉作為稻米胚乳最主要的組分,是稻米品質(zhì)和淀粉理化特性的主要決定因素[1-3]。支鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)包括平均鏈長(CL)、平均外部鏈長(ECL)、平均內(nèi)部鏈長(ICL)、A∶B值(每條B鏈上所具有的A鏈數(shù)目)、鏈長和鏈長分布等參數(shù)[4]。目前對稻米支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究主要是利用凝膠層析法、熒光糖電泳法(基于毛細(xì)管電泳、基于測序儀)等測定支鏈淀粉的鏈長和鏈長分布[5-7]。利用酶法測定支鏈淀粉結(jié)構(gòu)是采用β-淀粉酶、異淀粉酶、普魯蘭酶這3種酶對支鏈淀粉進(jìn)行酶解,從而獲得β-淀粉酶水解率、CL、ECL、ICL、A∶B值等支鏈淀粉結(jié)構(gòu)參數(shù),這些參數(shù)可更好地反映支鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)。已有研究利用酶法對葛根[8]、銀杏[9]及慈姑[10]的支鏈淀粉結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測定,而在水稻中利用酶法測定支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)鮮見報道。此外,前人在利用酶法測定葛根、銀杏及慈姑的支鏈淀粉結(jié)構(gòu)的具體過程中,酶解反應(yīng)條件存在一定差異,如在測定β-淀粉酶水解率時采用的β-淀粉酶用量分別是500、500、325 U,測定A∶B值時采用的異淀粉酶用量分別是2、80、80 U,且對酶解的最佳反應(yīng)時間沒有明確。本試驗對酶法測定稻米支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)的酶解反應(yīng)條件進(jìn)行了摸索和優(yōu)化,以期對稻米支鏈淀粉結(jié)構(gòu)的測定和特性的研究提供參考。

        1 材料和方法

        1.1 材料和儀器

        秈稻品種為昌恢121、南京11、桂朝2號、昌恢T025;粳稻為寧粳1號、常粳06-3、武育粳7號、日本晴。昌恢121、昌恢T025為江西農(nóng)業(yè)大學(xué)育成的恢復(fù)系材料,其他品種均引自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)。同期成熟種子收獲后曬干,存放3個月以上,用精米機(jī)充分研磨成精米后進(jìn)一步磨成米粉,采用賀曉鵬等[11]的方法進(jìn)行支鏈淀粉的分離和純化,得到純支鏈淀粉粉末后密封保存。

        β-淀粉酶(EC 3.2.1.2)、普魯蘭酶(EC 3.2.1.41)、異淀粉酶(EC 3.2.1.68):Sigma-Aldrich公司。

        SCINO-CT410旋風(fēng)式樣品磨:瑞典FOSS公司;TU-1810D紫外可見分光光度計:北京普析公司。

        1.2 β-淀粉酶酶解反應(yīng)條件的優(yōu)化及稻米支鏈淀粉β-淀粉酶水解率的測定

        每個供試品種取5 mL離心管4個,加入純化的支鏈淀粉0.1 g分散于5 mL濃度為0.02 mol/L,pH 5.0的醋酸緩沖溶液中,分別加入300、400、500、600 U的β-淀粉酶,同時加入1~2滴甲苯防止微生物生長,37 ℃水浴保溫約48 h后,將反應(yīng)液沸水浴滅酶25 min,冷卻后測定體系中的還原力(麥芽糖當(dāng)量),以還原力不再增加的最低酶用量為優(yōu)化酶用量。每個樣品重復(fù)測定3次。

        每個供試品種取5 mL離心管1個,加入純化的支鏈淀粉0.1 g分散于5 mL濃度為0.02 mol/L,pH 5.0的醋酸緩沖溶液中,加入優(yōu)化酶用量的β-淀粉酶,同時加入1~2滴甲苯防止微生物生長,37 ℃水浴保溫,測定4 h至60 h不同反應(yīng)時間點酶解反應(yīng)所產(chǎn)生的還原力,以還原力不再增加的最短時間為優(yōu)化反應(yīng)時間。每個樣品重復(fù)測定3次。

        在酶用量和反應(yīng)時間優(yōu)化的基礎(chǔ)上,測定反應(yīng)體系中的總糖和還原力,重復(fù)3次,以不加酶的樣品同樣處理作為對照,計算稻米支鏈淀粉β-淀粉酶水解率:

        β-淀粉酶水解率=還原力(麥芽糖當(dāng)量)×100/總糖 (麥芽糖當(dāng)量)

        1.3普魯蘭酶反應(yīng)條件的優(yōu)化及稻米支鏈淀粉CL、ECL、ICL的測定

        每個供試品種取5 mL離心管4個,稱取22 mg純支鏈淀粉,加入濃度為0.05 mol/L, pH 5.0的醋酸緩沖液5 mL,充分混勻后加入2、4、6、8 U的普魯蘭酶,液面以1~2滴甲苯防止微生物生長,37 ℃水浴保溫約24 h后,將反應(yīng)液沸水浴滅酶20 min,冷卻后測定體系中的還原力,以還原力不再增加的最低酶用量為優(yōu)化酶用量。每個樣品重復(fù)測定3次。

        每個供試品種取5 mL離心管1個,稱取22 mg純支鏈淀粉,加入濃度為0.05 mol/L, pH 5.0的醋酸緩沖液5 mL,充分混勻后加入優(yōu)化酶用量的普魯蘭酶,同時加入1~2滴甲苯防止微生物生長,37 ℃水浴保溫,測定4 h至32 h不同反應(yīng)時間段內(nèi)酶解反應(yīng)所產(chǎn)生的還原力,以還原力不再增加的最短時間為優(yōu)化反應(yīng)時間。每個樣品重復(fù)測定3次。

        在酶用量和反應(yīng)時間優(yōu)化的基礎(chǔ)上,測定反應(yīng)體系中的總糖和總還原力,重復(fù)3次,以不加酶的樣品同樣處理作為對照計算CL,同時根據(jù)所測定的β-淀粉酶水解率可以計算出支鏈淀粉的ECL和ICL。

        CL=產(chǎn)物中的總糖(葡萄糖當(dāng)量)/產(chǎn)物中的總還原力(葡萄糖當(dāng)量)

        ECL=CL ×β-淀粉酶水解率+2.0

        ICL=(CL-ECL)-1.0

        1.4 β-淀粉酶和普魯蘭酶酶解溫度的確定

        根據(jù)所購β-淀粉酶和普魯蘭酶的質(zhì)檢報告,β-淀粉酶和普魯蘭酶的推薦反應(yīng)溫度分別為20 ℃和25 ℃,杜先鋒等[8]、敖自華等[9]采用β-淀粉酶、普魯蘭酶進(jìn)行水解反應(yīng)時,采用的反應(yīng)溫度均為37 ℃。為此,在β-淀粉酶和普魯蘭酶酶用量和反應(yīng)時間優(yōu)化的基礎(chǔ)上,設(shè)置20、37 ℃和25、37 ℃兩種溫度,測定不同品種在兩種反應(yīng)溫度下酶解產(chǎn)生的還原力,明確β-淀粉酶和普魯蘭酶酶解反應(yīng)的最佳溫度。每個樣品重復(fù)測定3次。

        1.5 支鏈淀粉A∶B值酶解反應(yīng)條件的優(yōu)化及測定

        將測定β-淀粉水解率時的最終反應(yīng)液加入3倍體積無水甲醇,冰浴30 min后6 000 r/min離心5 min,傾去上清液,加入75%的甲醇沖洗沉淀,37 ℃恒溫干燥后用研缽磨成細(xì)粉,獲得支鏈淀粉β-極限糊精。稱取5 mg β-極限糊精粉末于2 mL離心管中,加入200 μL蒸餾水,沸水浴中加熱攪拌10 min后,加入濃度為0.04 mol/L,pH 4.5的醋酸緩沖液,再次置沸水浴中加熱攪拌10 min,冷卻至室溫,制成1 mg/mL的β-極限糊精溶液。

        每個供試品種取2 mL離心管5個,量取β-極限糊精溶液1 mL,首先分別加入2、10、50、100、150 U的異淀粉酶進(jìn)行第一步脫支水解,37 ℃水浴保溫,24 h后將反應(yīng)液置沸水浴中25 min滅酶,冷卻后測定反應(yīng)液中的還原力,以還原力不再增加的最低酶用量為異淀粉酶優(yōu)化酶用量。每個樣品重復(fù)測定3次。

        每個供試品種取2 mL離心管1個,量取β-極限糊精溶液2 mL,加入優(yōu)化酶用量的異淀粉酶,同時加入1~2滴甲苯防止微生物生長,37 ℃水浴保溫,測定4 h至32 h不同反應(yīng)時間段內(nèi)酶解反應(yīng)所產(chǎn)生的還原力,以還原力不再增加的最短時間為優(yōu)化反應(yīng)時間,此時反應(yīng)液中的還原力為C1。每個樣品重復(fù)測定3次。

        在異淀粉酶用量和反應(yīng)時間優(yōu)化的基礎(chǔ)上,每個供試品種取2 mL離心管4個,取異淀粉酶水解后的反應(yīng)液 1 mL,再次分別加入0.6、0.8、1、1.2 U的普魯蘭酶第二步脫支水解,37 ℃水浴保溫,24 h后將反應(yīng)液置沸水浴中25 min滅酶,冷卻后測定反應(yīng)液中的還原力,以還原力不再增加的最低酶用量為普魯蘭酶優(yōu)化酶用量。每個樣品重復(fù)測定3次。

        在異淀粉酶用量和反應(yīng)時間優(yōu)化的基礎(chǔ)上,每個供試品種取2 mL離心管1個,取異淀粉酶水解后的反應(yīng)液1 mL,向每個供試品種的體系中加入優(yōu)化酶用量的普魯蘭酶,測定4 h至32 h不同反應(yīng)時間點酶解反應(yīng)所產(chǎn)生的還原力,以還原力不再增加的最短時間為優(yōu)化反應(yīng)時間,此時反應(yīng)液中的還原力為C2,每個樣品重復(fù)測定3次。

        根據(jù)測定的C1、C2可計算出稻米支鏈淀粉的A∶B值:

        C1=B+0.5A

        C2=B+A

        2 結(jié)果與分析

        2.1稻米支鏈淀粉β-淀粉酶水解率測定的最適反應(yīng)條件

        2.1.1 β-淀粉酶水解率測定的最適酶用量

        圖1為8種稻米支鏈淀粉分別加入300、400、500、600 U β-淀粉酶的反應(yīng)體系37 ℃酶解48 h后的還原力(麥芽糖當(dāng)量)測定結(jié)果。從圖1中可以看出,隨著酶用量的增加,反應(yīng)體系中的還原力相應(yīng)增大,當(dāng)酶用量為500 U時開始,體系中的還原力基本保持恒定,隨后酶用量的增加體系中的還原力不再增大??梢姡瑢τ?.1 g的稻米支鏈淀粉,測定β-淀粉酶水解率時β-淀粉酶的最適酶用量為500 U,與測定葛根、銀杏支鏈淀粉β-淀粉酶水解率的酶用量(500 U)相同[8-9],大于測定慈姑支鏈淀粉β-淀粉酶水解率的酶用量(325 U)[10]。

        注:數(shù)據(jù)為平均值,短線表示均方差,不同小寫字母代表處理間達(dá)顯著差異水平(P<0.05),余同。圖1 稻米支鏈淀粉β-淀粉酶水解率測定時β-淀粉酶用量與還原力生成的關(guān)系

        2.1.2 β-淀粉酶水解率測定的最適反應(yīng)時間

        圖2為8種稻米支鏈淀粉加入β-淀粉酶500 U,37 ℃水浴酶解后,4 h至60 h不同反應(yīng)時間點酶解反應(yīng)體系中還原力(麥芽糖當(dāng)量)的測定結(jié)果。從圖2中可以看出,隨著酶解反應(yīng)時間的增加,不同品種支鏈淀粉的水解程度均相應(yīng)增大,水解初期,還原力增加較快,而后逐漸緩慢,當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到48 h后開始,反應(yīng)體系中所產(chǎn)生的還原力基本上達(dá)到一個平穩(wěn)值,水解程度達(dá)到最大,隨后還原力不再而增加??梢?,對于0.1 g的稻米支鏈淀粉,測定β-淀粉酶水解率時的最適酶解時間為48 h。

        圖2 稻米支鏈淀粉β-淀粉酶水解率測定時酶解反應(yīng)時間與還原力生成的關(guān)系

        2.1.3 β-淀粉酶水解率測定的最適反應(yīng)溫度

        圖3為8種稻米支鏈淀粉分別在20、37 ℃兩種水浴溫度下(酶用量500 U,反應(yīng)時間48 h)的還原力的測定結(jié)果。從圖3中可以看出,反應(yīng)體系溫度為37 ℃時,8個品種的還原力均大于20 ℃時的還原力??梢姡瑢τ?.1 g的稻米支鏈淀粉,測定β-淀粉酶水解率時的最適反應(yīng)溫度為37 ℃。

        圖3 稻米支鏈淀粉β-淀粉酶水解率測定時不同反應(yīng)溫度下的還原力

        2.2 稻米支鏈淀粉鏈長測定的最適反應(yīng)條件

        2.2.1 CL測定的最適酶用量

        圖4為8種稻米支鏈淀粉分別加入2、4、6、8 U普魯蘭酶的反應(yīng)體系37 ℃酶解24 h后的還原力(葡萄糖當(dāng)量)的測定結(jié)果。從圖4中可以看出,隨著酶用量的增加,反應(yīng)體系中的還原力相應(yīng)增大,當(dāng)酶用量為4 U時開始,體系中的還原力基本保持恒定,隨后酶用量的增加體系中的還原力不再增大??梢?,對于22 mg的稻米支鏈淀粉,測定CL時的普魯蘭酶最適酶用量為4 U,與測定銀杏支鏈淀粉CL的酶用量(4 U)相同[9],大于測定慈姑支鏈淀粉CL的酶用量(3 U)[10]。

        圖4 稻米支鏈淀粉CL測定時普魯蘭酶用量與還原力生成的關(guān)系

        2.2.2 CL測定的最適反應(yīng)時間

        圖5為8種稻米支鏈淀粉加入普魯蘭酶4 U,37 ℃水浴酶解后, 4 h至32 h不同反應(yīng)時間點內(nèi)酶解反應(yīng)體系中還原力(葡萄糖當(dāng)量)的測定結(jié)果。從圖5中可以看出,隨著酶解反應(yīng)時間的增加,不同品種支鏈淀粉的水解程度均相應(yīng)增大,當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到24 h后開始,反應(yīng)體系中所產(chǎn)生的還原力基本上達(dá)到一個平穩(wěn)值,水解程度達(dá)到最大,隨后還原力不再增加。可見,對于22 mg的稻米支鏈淀粉,測定CL時的最適酶解時間為24 h。

        圖5 稻米支鏈淀粉CL測定時酶解反應(yīng)時間與還原力生成的關(guān)系

        2.2.3 CL測定的最適反應(yīng)溫度

        圖6為8種稻米支鏈淀粉在25、37 ℃兩種水浴溫度下(酶用量4 U,反應(yīng)時間24 h)的還原力測定結(jié)果。從圖6中可以看出,反應(yīng)體系溫度為37 ℃時,8個品種的還原力均大于25 ℃時的還原力??梢?,對于22 mg的稻米支鏈淀粉,測定CL時的最適反應(yīng)溫度為37 ℃。

        圖6 稻米支鏈淀粉CL測定時不同反應(yīng)溫度下的還原力

        2.3 A∶B值最適反應(yīng)條件的優(yōu)化及測定

        2.3.1 A∶B值測定時異淀粉酶的的最適酶用量

        圖7為8種稻米β-極限糊精溶液分別加入2、10、50、100、150 U異淀粉酶的反應(yīng)體系37 ℃酶解24 h后的還原力(葡萄糖當(dāng)量)測定結(jié)果。從圖7中可以看出,隨著酶用量的增加,反應(yīng)體系中的還原力相應(yīng)增大,當(dāng)酶用量為100 U時,體系中的還原力基本保持恒定,隨后酶用量的增加體系中的還原力不再增大。可見,對于1 mL濃度為1 mg/mL的稻米β-極限糊精溶液,測定A∶B值時異淀粉酶的最適酶用量為100 U,高于測定銀杏、慈姑支鏈淀粉的酶用量(80 U)和葛根支鏈淀粉的酶用量(2 U)[8-10]。

        圖7 稻米支鏈淀粉A∶B測定時異淀粉酶用量與還原力生成的關(guān)系

        2.3.2 A∶B值測定時異淀粉酶的最適反應(yīng)時間

        圖8為8種稻米β-極限糊精溶液加入異淀粉酶100 U,37 ℃水浴酶解后,4 h至32 h不同反應(yīng)時間點酶解體系中還原力(葡萄糖當(dāng)量)的測定結(jié)果。從圖8中可以看出,隨著酶解反應(yīng)時間的增加,不同品種支鏈淀粉的水解程度均相應(yīng)增大,當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到24 h后開始,反應(yīng)體系中所產(chǎn)生的還原力基本上達(dá)到一個平穩(wěn)值,水解程度達(dá)到最大,隨后還原力不再增加??梢?,對于1 mL濃度為1 mg/mL的β-極限糊精溶液,測定A∶B值時的最適酶解時間為24 h。

        圖8 稻米支鏈淀粉A∶B值測定時異淀粉酶酶解反應(yīng)時間與還原力生成的關(guān)系

        2.3.3 A∶B值測定時普魯蘭酶的最適酶用量

        圖9為8種稻米異淀粉酶水解反應(yīng)液再次分別加入0.6、0.8、1、1.2 U普魯蘭酶進(jìn)行第二步脫支水解,反應(yīng)體系37 ℃酶解24 h后的還原力(葡萄糖當(dāng)量)測定結(jié)果。從圖9中可以看出,隨著酶用量的增加,反應(yīng)體系中的還原力相應(yīng)增大,當(dāng)酶用量為1 U時,體系中的還原力基本保持恒定,隨后酶用量的增加體系中的還原力不再增大。可見,對于1 mL異淀粉酶水解后的反應(yīng)液,測定A∶B時普魯蘭酶的最適酶用量為1 U,與測定銀杏支鏈淀粉的酶用量(1 U)相同[9],高于測定葛根支鏈淀粉的酶用量(0.6 U)[8]。

        圖9 稻米支鏈淀粉A∶B測定時普魯蘭酶用量與還原力生成的關(guān)系

        2.3.4 A∶B值測定時普魯蘭酶的最適反應(yīng)時間

        圖10為種稻米異淀粉酶水解反應(yīng)液再次加入普魯蘭酶1 U,37 ℃水浴酶解后,4 h至32 h不同反應(yīng)時間點酶解體系中還原力(葡萄糖當(dāng)量)的測定結(jié)果。從圖10中可以看出,隨著酶解反應(yīng)時間的增加,不同品種支鏈淀粉的水解程度均相應(yīng)增大,當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到24 h后開始,反應(yīng)體系中所產(chǎn)生的還原力基本上達(dá)到一個平穩(wěn)值,水解程度達(dá)到最大,隨后還原力不再增加。可見,對于1 mL異淀粉酶水解后的反應(yīng)液,測定A∶B時的最適酶解時間為24 h。

        圖10 稻米支鏈淀粉A∶B值測定時普魯蘭酶酶解反應(yīng)時間與還原力生成的關(guān)系

        2.4 8個水稻品種的支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)

        表1為根據(jù)優(yōu)化的反應(yīng)條件利用酶法測定的8個水稻品種的支鏈淀粉結(jié)構(gòu)參數(shù),由表1可見,8個水稻品種的β-淀粉酶水解率變幅為51.22%~62.86%,其中昌恢121最大,寧粳1號最?。籆L的變幅為18.31~20.83,ECL的變幅為11.38~14.82,兩者中均為南京11最大,寧粳1號最?。籌CL的變幅為4.57~5.93,寧粳1號最大,昌恢121最小;A∶B值的變幅為1.05~1.67,常粳06-3最大,昌恢T025最小。

        表1 參試水稻品種的支鏈淀粉結(jié)構(gòu)

        3 討論

        利用酶法測定支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)的基本原理首先是利用β-淀粉酶作用于支鏈淀粉的α-1,4-糖苷鍵形成了β-限制糊精,并獲得β-淀粉酶水解率;利用普魯蘭酶作用支鏈淀粉的α-1,6-糖苷鍵使支鏈淀粉脫支成為直鏈片段,獲得CL;利用異淀粉酶作用于α-1,6-糖苷鍵先水解β-限制糊精中大于三個葡萄糖單位構(gòu)成的側(cè)鏈,再用普魯蘭酶進(jìn)一步水解兩個以上葡萄糖單位構(gòu)成的側(cè)鏈,這樣經(jīng)過異淀粉酶和普魯蘭酶共同作用后可以使β-極限糊精完全脫支,以此通過計算得到 A與B 鏈的比值。杜先鋒等[8]測定葛根支鏈淀粉β-淀粉酶水解率時,β-淀粉酶用量為500 U,反應(yīng)時間約48 h,反應(yīng)溫度為37 ℃;測定A∶B值時,異淀粉酶用量為2 U,反應(yīng)時間為15 h,普魯蘭酶用量為0.6 U,反應(yīng)時間為24 h。敖自華等[9]測定銀杏支鏈淀粉β-淀粉酶水解率時,β-淀粉酶用量為500 U,反應(yīng)時間約44 h,反應(yīng)溫度為37 ℃;測定CL時,普魯蘭酶用量為4 U,反應(yīng)時間約24 h,反應(yīng)溫度為37 ℃;測定A∶B值時,異淀粉酶用量為80 U,反應(yīng)時間為20 h,普魯蘭酶用量為1 U,反應(yīng)時間為15 h。王素雅等[10]測定慈姑支鏈淀粉β-淀粉酶水解率時,β-淀粉酶用量為325 U,反應(yīng)溫度為37 ℃;測定CL時,普魯蘭酶用量為3 U,反應(yīng)溫度為37 ℃。本研究表明,0.1 g的稻米支鏈淀粉水解時,β-淀粉酶的最適用量為500 U,反應(yīng)時間為48 h,反應(yīng)溫度為37 ℃;測定CL時,對于22 mg的稻米支鏈淀粉,普魯蘭酶的最適用量為4 U,反應(yīng)時間為24 h,反應(yīng)溫度為37 ℃;對于1 mL濃度為1 mg/mL的稻米β-極限糊精溶液,先用100 U異淀粉酶對其進(jìn)行水解,反應(yīng)24 h 后加熱使酶失活,再用1 U普魯蘭酶進(jìn)行第二步脫支水解,反應(yīng)24 h后進(jìn)行A∶B值的測定可以取得較好的效果。研究結(jié)果對于了解支稻米鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu),揭示稻米食用品質(zhì)形成的機(jī)理都具有應(yīng)用價值。

        4 結(jié)論

        本文優(yōu)化了酶法測定稻米支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)的各項反應(yīng)條件。在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行了稻米支鏈淀粉結(jié)構(gòu)的測定,8個參試品種中,β-淀粉酶水解率的變幅為51.22~62.86%,CL的變幅為18.31~20.83,ECL的變幅為11.38~14.82,ICL的變幅為4.57~5.93,A∶B值的變幅為1.05~1.67。

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