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大米胚中γ氨基丁酸的富集及利用资料
大米胚中γ—氨基丁酸的富集及利用
中文摘要:
大米胚芽营养成分高,营养价值好,且我国有丰富的大米胚芽资源,从这一实际出发,本文阐述了大米胚芽的加工技术。
着重研究了米胚芽中富集γ—氨基丁酸(GABA)的工艺,通过正交实验得到富集的最佳工艺条件,使GABA产量提高了约14倍,并研究了不同溶剂脱脂对GABA富集的影响。
同时对米胚的利用及发展前景作了分析。
Abstract:
Theplumuleofriceiswithhighcontentinnourishmentcomponentandgoodvalueinnutrition.Moreover,thereareabundantofriceresourcesinourcountry.Accordingtothisfact,thisthesiselaboratesonthetechnologyofprocessingtheplumuleofrice.TheemphasisislaidonhowtoenrichGAMMA-AMINO-N-BUTYRIC-ACIDCRYSTALLINE(GABA)intheplumuleofrice.Byaseriesofexperiments,thebestconditionsarefoundoutforenrichment,andasaresult,theyieldofGABAisraised14timesorso.Atthesametime,theresearchstudiesontheeffectsonenrichmentofGABAbydegreasingindifferentkindsofsolvents.Thepaperalsoanalyzestheutilizationandforegroundoftheplumuleofriceinindustry.
关键词:
米胚芽,γ—氨基丁酸,富集,利用
一.前言
稻米是我们的传统主食,其营养与在膳食中的地位举足轻重。
由于大米的生产工艺已经基本定型,所以国外一些技术力量雄厚的公司开始把工艺研究的重点放在了稻米的综合利用上。
稻米的综合利用主要是对稻米加工的主副产品进一步充分利用,使稻米资源得到有效的利用和极大的增值。
我国医学古籍对米糠的保健功效称之为“味甘平、无毒具有通肠、开胃、下气、磨积块”功能。
米胚是有生命的物质,被营养学家誉为长寿因子、长青素。
大米胚芽是稻谷籽粒的重要组成部分之一,以重量计占稻谷的2%~2.2%,占糙米的2.6%~2.9%。
尽管米胚的重量仅占一颗米粒的3%左右,但一颗米粒一半以上的营养成分却存在于米胚中。
米胚芽中富含多种生理活性物质及重要营养元素,是一种得天独厚的天然营养源。
尤其是所含的γ—氨基丁酸(GABA),具有降低血压等多种医疗保健功能,已经引起了人们的关注。
加速大米胚芽开发利用的综合研究,对促进我国营养保健食品的发展,无疑有着十分重要的意义。
1.大米胚芽的营养成分
大米胚芽的营养非常丰富,其中蛋白质和脂肪的含量都在20%以上,蛋白质中氨基酸的组成比较平衡,其中人体必须氨基酸的比例符合FAO/WHO建议的营养合理模式。
因此,大米胚芽蛋白是一种全价的优质蛋白质。
大米胚芽脂类中维生素E含量高达200—300mg/100g,70%以上的脂肪酸是不饱和脂肪酸。
大量的研究表明,大米胚芽中的脂肪能够抑制胆固醇合成,防止血管胆固醇沉积和预防糖尿病,其中较为丰富的维生素E可以防止皮肤色素沉积和延缓皮肤衰老。
此外,大米胚芽中还含有丰富的微量元素和矿物质。
1.1米胚的一般营养成分
米粒中蛋白质和脂肪的含量以米胚中的含量为最大,分别含有22%~25%左右的蛋白质和25%左右的脂肪。
表1为米胚及大豆、米面、玉米的一般营养成分表。
表1米胚及大豆、米面、玉米的一般营养成分[1,2]
品种
水分%
蛋白质%
脂肪%
糖分%
灰分%
粗纤维%
钙
磷
铁
VB1
VB2
尼克酸
(mg/100g)
米胚
12.36
22.25
26.44
27.31
8.41
3.22
37.4
1421
11.4
4.49
0.68
7.75
大豆
12.5
35.3
19.0
23.7
5.0
4.70
240
449
9.40
0.83
0.30
----
标米
13.0
6.20
1.90
78.2
0.6
0.1
32
143
5.5
0.11
0.02
1.4
富强粉
13.7
9.10
0.9
75.6
0.6
0.1
24
69
6.5
0.13
0.05
1.8
玉米粉
13.4
7.70
5.4
69.2
1.8
1.8
38
367
3.5
0.35
0.09
2.5
表1的数据表明,米胚的蛋白质含量分别是标米、富强粉和玉米粉的3.6倍、2.4倍和2.8倍且是大豆蛋白质含量的63%。
可见米胚含有丰富的蛋白质。
众所周知,蛋白质是生命的构成物质,无论机体的生命、组织的更新和新陈代谢活动都离不开蛋白质。
缺乏蛋白质则会引起营养不良,易于感染各种疾病。
此外,米胚中的脂肪高于大豆、标一米、富强粉和玉米粉,仅次于花生(39.2%)和芝麻(53.6%)。
1.2米胚蛋白质的氨基酸组成
米胚不仅含有丰富的蛋白质,而且其蛋白质的质量和营养价值可与举世公认的优质植物蛋白——大豆蛋白施美。
表2列出了大米胚芽与大豆、大米、面粉和玉米蛋白质的氨基酸构成比例。
表2大米胚芽与大豆、大米、面粉和玉米蛋白质氨基酸的构成比例[1]
氨基酸
FAD/WHD
大米胚芽
大豆
大米
面粉
玉米
赖氨酸
5.5
6.6
5.8
3.5
2.4
色氨酸
1.0
1.3
1.2
1.7
1.1
苏氨酸
4.0
4.3
4.0
3.9
3.1
蛋氨酸
3.5
2.0
2.0
1.7
1.4
胱氨酸
3.5
1.8
1.9
-
-
1.8
苯丙氨酸
6.0
6.8
5.7
4.8
4.5
6.8
酪氨酸
6.0
3.4
4.1
-
-
3.4
亮氨酸
7.0
5.4
6.6
8.4
7.1
5.4
异亮氨酸
4.0
3.4
4.7
3.5
3.6
3.4
颉氨酸
5.0
6.1
4.2
5.4
4.2
6.1
从表2可知,大米胚芽的蛋白质氨基酸构成比例与FAD/WHD的理想模式基本一致,且远高于大米、面粉和玉米的蛋白质。
由此可见,大米胚芽蛋白质含量高、质量好,是优质的植物蛋白资源。
此外,大米的第一限性氨基酸赖氨酸和第二限性氨基酸苏氨酸在米胚中含量丰富。
尤其值得重视的是,米胚中还含有一般食物罕见的长寿因子谷胱甘肽。
谷胱甘肽是一种活性三肽。
在人体内,谷胱甘肽通过谷胱甘肽过氧化酶的催化,可与过氧化物发生反应,还原过氧化物,避免它对人体造成危害,具有保护大脑功能及有助于体质健康的作用。
谷胱甘肽在体内还有传递氨基酸的作用,这有助于促进婴幼儿的生长发育。
据报道,孕妇缺乏蛋白质,主要是缺乏谷胱甘肽。
因此,将大米胚芽开发为保健食品和婴幼儿代乳品,有着潜在的优势。
1.3米胚脂肪酸的组成
大米胚芽除了含有丰富而优质的蛋白质外,还含有丰富而优质的脂肪。
表3列出了大米胚芽和其他几种油脂的组成。
表3几种油脂脂肪酸组成和维生素E的含量[1,2]
油脂名称
油酸(%)
亚油酸(%)
亚麻酸(%)
维生素Emg/100g
大米胚芽油
32~40
39~40
1~2
150~170
大豆油
20.4
53~54
7.4
120~280
花生油
37~38
34~35
0.2
-
菜子油
22~23
15~18
7~10
-
猪油
45.6
13~14
-
0.2~2.7
牛油
42
2~2.2
0.8
1.5
奶油
24.6
14~15
0.8
2.1~2.3
从表1可知,大米胚芽含有26.44%的油脂,其含量高于大豆(17.3%),而仅次于花生(39.2%)、芝麻(53.6%)等油料作物。
从表3可以看出,大米胚芽的脂肪酸组成中,必需脂肪酸的配比含量均高于一般植物油,同时也胜于动物油脂。
亚油酸约占不饱和脂肪酸的一半。
亚油酸对于维持人体正常生长、保持血液动脉血管及神经和大脑的健康有重要作用。
同时亚油酸可以防止人体水代谢功能紊乱而产生的皮肤病变,可保护皮肤和其他组织的青春健康。
日本学者还发现,亚油酸可使胆固酸呈流动态而不沉积在血管壁上,因而能预防动脉硬化。
1.4米胚中的维生素
米胚不仅含有丰富而优质的蛋白质和脂肪,还含有丰富的维生素。
表3的数据表明,大米胚芽油含有丰富的维生素E。
维生素E是一种天然抗氧化剂。
可促进细胞分裂、延缓细胞衰老、维持人体细胞膜和心脏等器官活力、维持血液正常循环、防止胆固醇氧化成过氧化酯、预防动脉硬化、滋润皮肤使人焕发青春活力。
最近还发现维生素E具有抗癌功效。
表1的数据表明,大米胚芽含丰富的VB1和VB2。
VB1是人体内糖代谢的重要物质,对于增进食欲、促进生长有重要作用。
缺乏时易引起新陈代谢紊乱,从而影响神经组织的正常功能,发展成多发性神经炎,即脚气病。
VB2是构成呼吸黄酶和其他许多脱氢酶的辅酶所必需的物质,能促进糖、脂肪及蛋白质的代谢。
缺乏时呼吸能力减弱,整个新陈代谢受阻碍,儿童最易出现生长停止,成人则出现口腔炎、皮肤炎等病症。
1.5米胚中的矿物质
从表1知道,米胚中灰分含量占8.41%。
表4列出了米胚和其他部分的矿物质含量。
表4米胚和稻米各部分矿物质元素组成(μg/g干重)[2]
矿物质元素
米胚
糙米
白米
米糠
米糠粉
Al
-
-
0.73~7.23
53.5~369
-
Ca
2750(102)
400(102)
460(102)
1310(102)
910(102)
Cl
1520
203~275
163~239
510~970
-
I
130
26~46
1.8~13.6
190
280
P
2100
2520~38301
110~1850
14800
2440
Mg
15270
379~1170
239~374
9770~12300
5680~7590
K
3850
240~2470
577~1170
17700~22700
9500
Si
560~1900
280~1900
140~370
1700~4400
560~1200
Na
240
31~69
22~51
230
65
Zn
100
15~22
12~21
80
50
表6数据表明,米胚中锌含量十分丰富。
锌是人体十分重要而又容易缺乏的必需微量元素之一,具有重要的生理功能,是人体生长发育、智力发育必不可少的矿物质元素。
缺锌易引起基础代谢率下降、组织脂质过氧化能力增强,引起氨基酸氧化加强.出现蛋白质合成障碍。
糖尿病患者胰腺的含锌量仅为常人的一半,米胚对增加糖尿病病人胰腺的含锌量有明显作用。
孕妇、乳母是胎儿和婴幼儿锌的直接来源,对锌的需求量也比成人高出两倍。
此外,米胚中钙、镁等矿物质元素也很丰富。
总之,米胚富含各种营养成分,其营养价值高,不亚于一个小型营养库。
它既可以作为各种营养、保健食品的理想基料,又可以作为天然营养活加剂,还可以用来制取富含维生素E的大米胚芽油。
2.大米胚芽的分离提纯方法
大米胚芽的大小、比重等物理性质与米糠相似,碾米时大米胚芽常常与米糠混在一起。
因此就目前而言,大米胚芽的分离提纯主要是从碾米副产品糠粞混合物中分离的,大致可分为两种方法:
一种是湿法分离;另一种是干法分离。
2.1湿法分离
经过一定处理的粞置于水中漂洗,除去糠片和碎米,然后把得到的大米胚芽进行烘干处理。
2.2干法分离
干法分离又可以分为两种。
其一是根据粞中主要组成物即糠片、谷嘴、碎米及胚芽的比重、受风面积的不同先进行风选除去糠片,然后把胚芽和碎米的混合物进行碾压。
由于含油量的不同,碎米被压成粉状,而胚芽将压成片状,再用筛子筛选,可得纯净的大米胚芽片。
其二是根据大米胚芽和碎米等的比重,悬浮速度的差异,用风选和筛选相结合的办法来提取粒状大米胚芽。
由于湿法需要消耗大量能源而导致原料成本提高,因此不宜采用。
而压片的办法又使保存的难度增加。
目前国内尚无酶钝化设备,压成片状的大米胚芽将使酶氧化加剧而酸败。
故浙江省粮科所采用了干法分离中的第二种方法,即采用风选和振动筛相结合的办法,直接从米粞中提取粒状大米胚芽原料。
并据此研制出了MPFX42大米胚芽分离机。
工艺流程如图1所示。
糠片
出口
胚芽
出口
米粞原料
风选
出口
碎米
混合物
振动筛
混合物
图1米胚分离纯化工艺流程[1]
3.大米胚芽特性和保鲜
3.1大米胚芽特性[1]
大米胚芽是谷粒的初生组织和分生组织,它除含丰富的营养物质外,还含有多种活性酶。
一旦大米胚芽从谷粒中脱落后,酶的活性迅速提高,其中解脂酶迅速将脂肪分解成脂肪酸,从而引起酸败。
此外,胚易吸湿,在贮藏过程中易受虫害和微生物的污染,所以不易保存。
一般脱脂米胚保存期可达6个月;未脱脂仅经酶抑制处理的只能保存3个月以下;未经任何处理的保存期更短。
这些都给大米胚芽的开发利用带来了极其不利的影响。
大米胚芽还有一种令人的厌恶的腥味或青草味。
存放时间越长这种气味越浓,尤其是在高温季节。
因此被分离提纯的米胚芽必须尽快地(最好在24小时内)进行保鲜。
3.2大米胚芽保鲜[21]
大米胚芽的保鲜技术已有不少报道,其中最常用的办法是加热。
由于酶对温度比较敏感,加热可以抑制酶的活性,甚至达到灭酶。
同时可降低米胚水分,以去掉酶活力复苏的一个重要条件。
大米胚芽经过加热烘烤,腥味也大大减弱。
由此得到的胚芽制品是一种全脂米胚。
若用先压榨后浸出或完全用溶剂浸出处理脱去油脂,经加热烘烤后得以脱脂米胚。
脱脂米胚保存性能良好。
在热处理的同时,大米胚芽产生香味,羰基化合物明显增多,并且消化率也大大提高。
加热的方法大致有以下几种:
(1)焙炒法将大米胚芽在炒锅内焙炒5分钟,控制物料温度为110℃。
焙炒后胚芽水分为1.5%左右。
这种方法只要焙炒均匀,就能达到有效地灭酶钝化的效果。
实验证明料炒后的大米胚芽在室温放置7天保持酸价不变。
不过这种方法操作要求较高,物料温度控制较严。
温度低,达不到灭酶钝化的目的;温度过高则使米胚芽焦化、营养物质遭受破坏。
(2)蒸煮法将大米胚芽隔水常压干蒸15分钟,能均匀有效地达到保鲜目的。
蒸煮法较焙炒法的灭酶更彻底,处理后的胚芽在室温下能安全贮藏7~10天。
(3)远红外法将大米胚芽用微波炉照射加热75分钟,微波频率450兆赫,波长0.1225米。
处理后的米胚芽色泽基本不变,不会损坏营养成分,在室温下能安全贮藏3天以上。
(4)振动流化床或流化床干燥法将大米胚芽置于振动流化床或流化床干燥20分钟,介质温度为110~125℃。
干燥后胚芽水分可降到4%~5%左右,并保持胚芽色泽不变,在室温下可安全贮藏2~3个周。
根据国外的资料来看,热处理是一种经济有效的办法。
日本大量研究的结果是:
用150℃以下温度进行干操灭酶,将大米胚芽水分控制在5%以下,最好能达到2%~3%。
热处理时将胚芽的温度控制在120~130℃为最好。
这样不仅能达到灭菌去腥的目的,而且大米胚芽的风味最好。
如热处理温度超过150℃,则大米胚芽会产生大量的过氧化物。
最近又有报道,大米胚芽用双层袋真空包装或单层袋辐射处理,对防止其酸败均有明显效果。
4.γ—氨基丁酸(GABA)的概述
植物来源的功能性成分己越来越引起人们的关注,人们试图从各种植物中寻找生理活性物质,以防治呈上升趋势的一些疾病。
在这些研究中,γ—氨基丁酸(GABA)作为一种神经传递物质,其对高血压的预防和缓解具有很好作用,已逐步引起人们的重视,有望可广泛应用于各种保健食品中。
GABA是一种广泛存在于自然界的非蛋白质氨基酸。
是中枢神经系统主要的抑制性神经递质,介导了40%以上抑制性神经传导。
在人体内,GABA贮存于神经未梢囊泡,神经冲动导致的末梢Ca离子内流能促其释放。
与GABA相互作用的受体亚型有三种,GABAa、GABAb和GABAc,其中GABAa受体除了GABA结合位点外,还有抗惊厥剂、抗焦虑剂的结合位点,具有重要的药理学意义[3]。
目前人们对γ—氨基丁酸的关注主要集中于此。
4.1GABA形成机理[4]
高等植物中的GABA主要是由L谷氨酸脱羧而来。
Streeter和Tompson[5]用14C谷氨酸处理萝卜叶子,结果有大量14C的GABA形成,这表明GABA来源于谷氨酸的脱羧反应。
和其他生物一样,植物中GABA首先在GABA转氨酶的作用下与α-酮戊二酸发生转氨作用,形成谷氨酸和琥珀酸半醛,琥珀酸半醛经脱氢氧化形成琥珀酸,进入三羧酸循环。
这些反应和α-酮戊二酸氧化成琥珀酸的反应一起构成GABA支路。
GABA支路中的3种酶分别为谷氨酸脱羧酶、γ—氨基丁酸转氨酶和琥珀酸半醛脱氢酶。
从植物组织中提取的谷氨酸脱羧酶是磷酸吡哆醛和蛋白质的复合体。
萝卜叶中谷氨酸脱羧酶的最适pH为5.9[5],氰化物对该酶有抑制作用。
对茶叶中提取的谷氨酸脱羧酶特性研究表明,谷氨酸脱羧酶以谷氨酸为底物,Km为8.3x10-3mol/L,最适pH为5.8,加入磷酸吡哆醛可使谷氨酸脱羧酶活性增加,琉基乙醇、二硫苏糖醇、半胱氨酸和对氯高汞苯甲酸等抑制谷氨酸脱羧酶活性,金属离子不能激活该酶。
γ—氨基丁酸转氨酶是以γ—氨基丁酸-丙酮酸转氨酶和γ—氨基丁酸-α-酮戊二酸转氨酶2种形式存在的[5],最适pH均为8.9,但前者的活性高于后者。
琥珀酸半醛脱氢酶是GABA支路最后一步反应的酶,它以NAD+为辅酶,将琥珀酸半醛氧化为琥珀酸,最适pH在9.0~9.5之间。
该酶以NAD+为辅助因子,NADH对酶有抑制性作用。
NADH/NAD+比值为1时,琥珀酸半醛脱氢酶的活性下降10%;两者比值为2时,酶的活性则完全被抑制。
4.2GABA代谢机制
γ—氨基丁酸衍生于三羧酸循环的产物,最后由谷氨酸脱羧酶产生。
γ—氨基丁酸为谷氨酸的三羧酸循环提供了另外一种途径。
这种途径被首先发现作用于脑部,其意义在于有利于动吻大脑的能量代谢,促进脑部血液流通;对植物来说则提供了骨痂细胞生长时呼吸作用所需的能量[6]。
4.3GABA生理功能
(1)健脑作用:
由于GABA为谷氨酸三羧循环提供另一种途径,能有效活化脑血液,增加氧供给量;同时,GABA能提高葡萄糖磷酸脂酶活性,使脑细胞活动旺盛,促进脑组织新陈代谢和恢复脑细胞功能,改善神经机能,从而达到健脑、增强记忆的作用[7,13]。
(2)降压作用:
通过作用于延髓血管运动中枢,抑制具有抗利尿效果的加压素分泌,导致血管扩张从而降血压,镇定神经[7,8,13]。
(3)改善脂质代谢,防止动脉硬化:
在临床上可以作为改善脑动脉硬化引起的各种症状的药物使用[7]。
(4)醒酒功能:
促进乙醇代谢,降低血中乙醇含量[7,8]。
(5)预防肥胖[8]。
(6)活化肾功能[8]。
(7)改善肝功能:
在体内可大幅下降ALP和CPT值,能抑制谷氨酸的脱羧反应,与α-酮戊二酸反应生成谷氨酸,使血氨降低。
使更多的谷氨酸与氨结合成尿素排出体外,以解氨毒,从而增强肝功能[7]。
(8)体美容作用:
可防止皮肤老化[9,13]。
(9)消臭作用:
GABA具有类似于谷氨酸的甜味,能增强食品风味[8,10]。
(10)调节心律失常的作用:
GABA能系统参与哺乳动物(包括人类)心血管功能调节,可抑制心律失常的发生。
阻断中枢GABA能系统则产生心律失常,说明中枢GABA能系统在心律失常发生中起着重要的作用。
有研究发现外源性的GABA具有抗心律失常活性,可对抗多种实验性心律失常。
进一步研究认为,GABA主要通过对心脏的直接作用而抗乌头碱性心律失常,与神经调节无关[11]。
(11)调节激素的分泌:
近年来发现,GABA参与了对垂体促性激素分泌的调节,并有实验证实是通过下丘脑LHRH细胞近旁GABA激导性传递的减少来实现的。
GABA是脑内抑制性通路的重要物质,对内分泌功能尤其对腺垂体激素分泌功能有重要的调节作用。
研究表明,GABA能促进腺量体分泌黄体生成素,并具有促进甲状腺素释放激素的功能[11]。
(12)其它功能:
有文献报道,GABA能神经元在胃酸分泌的中枢调节中起重要作用。
在脑内注射GABA能增加胃酸的分泌,GABA不仅能刺激胃酸的分泌,还能刺激胃蛋白酶的分泌,并能抗大鼠实验性胃溃疡,这可能是因为GABA能提高胃组织内部ATP、DNA量,促进胃组织蛋白合成,增加胃壁粘液蛋白量,从而增加了胃粘膜屏障机能[11]。
4.4大米中GABA的分布
GABA在大米中分布如表5所示,米糠占糙米重量5%;F1定义为去除米糠后,谷粒最外部的5%~10%(重量);以下依次为F2:
10%~14%;F3:
14%~18%;F4:
18%~23%;F5:
23%~27%;F6:
27%~100%;胚芽另行制得,占糙米重量3.2%。
从下表可以看出从外到内大米谷粒的GABA含量依次减少,而大米胚芽中含有最多的GABA,这样的结果也支持了GABA在植物分生组织中含量较高的说法[12]。
表5GABA在大米中的分布[13]
F1
F2
F3
F4
F5
F6
碎米
糙米
米糠
胚芽
GABA含量mg/100g
12.9
9.8
7.1
4.3
3.3
0.8
3.0
3.8
10.9
24.5
4.5增加GABA的方法
(1)无氧发酵方法:
植物中GABA主要通过谷氨酸的脱羧基来产生。
无氧的环境可以增加谷氨酸脱羧酶的活性,抑制GABA-丙酮酸转氨酶的活性,从而使GABA能大量的产生并积累。
(2)机械的方法:
由于在被破坏的细胞组织上GABA会大量产生,挤压或碾磨使植物组织分离,可以有效提高GABA的含量。
(3)迅速降温的方法:
温度的迅速降低导致植物组织细胞内的隔室化,同时谷氨酸脱羧酶与GABA-丙酮酸转氨酶的活性比也会变大,从而会引起GABA量的增加[13]。
国外制备GABA生物技术途径[7]:
接种微生物(酵母菌或乳酸菌)
添加C源、N源等配制培养基
米胚芽提取物
GABA成品
干燥
过滤
发酵
图2制备GABA生物技术途径①
米胚芽
脱脂
GABA富集(内源酶作用)
提取
干燥
浓缩灭菌
分离精制
GABA精粉
图3制备GABA生物技术途径②
据专利报导,用水浸泡加工富化GABA米胚芽,其含量大幅增加到350mg一400mg/100g,已超过用发酵方法产生的富含GABA绿茶,显示米胚芽可作为GABA优质源。
4.6富含GABA米胚芽的主要营养成分
维生素和矿物质相互结合才能发挥重要的生理活性功能,平衡摄取十分重要。
富含GABA米胚芽中含有大量维生素B1、维生素B2、维生素B6、肌醇等B族维生素,特别是维生素B1的含量很高,100g米胚芽中含有9.69
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