計(jì)算機(jī)輔助X光斷層掃描對(duì)半甜韌性餅干的質(zhì)構(gòu)無損量化檢測(cè)

王艷婕，田金河，宋琳琳，張朝輝，張明霞,*

（1.河南科技學(xué)院生命科技學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.河南省現(xiàn)代生物育種協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.新鄉(xiāng)學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

半甜韌性餅干（簡(jiǎn)稱餅干），如各種早餐餅干、手指餅干等[1]，是一種深受消費(fèi)者喜愛的方便食品，這類餅干的配方及工藝特征在于較高的含糖量以及在面團(tuán)攪拌及成型過程中會(huì)形成彈性的面筋網(wǎng)絡(luò)[2]，這使得餅干在生產(chǎn)過程中必須加入一定的添加劑來減弱面筋以避免餅干坯的變形。此類餅干吸引人之處除了香甜可口的味道以外，蓬松酥脆的口感也是其區(qū)別于其他食品的重要特征[3]，而這一特殊口感主要來源于餅干獨(dú)特的多孔性組織特征[4-5]。因此對(duì)餅干組織結(jié)構(gòu)的研究，是產(chǎn)品質(zhì)量控制以及新產(chǎn)品研發(fā)的重要內(nèi)容。但餅干的易碎特性導(dǎo)致無法對(duì)其像面包或蛋糕一樣進(jìn)行切片并對(duì)內(nèi)部組織進(jìn)行觀察和定量計(jì)算[6-8]，因而對(duì)其質(zhì)構(gòu)特征的研究方法僅限于表象或總體研究，如通過電子顯微鏡掃描[9-10]、總體的感官研究（質(zhì)構(gòu)儀）[11-13]或者表觀物理指標(biāo)研究[14]，能夠精確量化餅干內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的方法尚鮮見報(bào)道，因而對(duì)不同原輔料及生產(chǎn)工藝所產(chǎn)生的餅干內(nèi)部組織的變化無法進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)照研究。

X光斷層掃描全稱為計(jì)算機(jī)輔助X光斷層掃描（X-ray computed tomography，CT），這一投射技術(shù)最早于1971年被開發(fā)出來，一直以來主要是在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用不斷推動(dòng)其進(jìn)步發(fā)展[15]。由于利用CT技術(shù)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究具有非侵入、結(jié)果無贗像以及樣品無需特殊處理等優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)際上已有許多研究者將CT技術(shù)應(yīng)用于食品質(zhì)構(gòu)的研究上。如Babin[16]、Turbin-Orger[17]等利用CT技術(shù)建立了面團(tuán)發(fā)酵過程中氣泡形成與擴(kuò)張過程的動(dòng)態(tài)模型；Guessasma等[18]利用CT圖像研究了面包在應(yīng)力形變過程中氣孔尺寸及分布的變化特征；Lim等[19]則利用這一技術(shù)對(duì)巧克力蛋糕、充氣巧克力棒及糖果等多孔食品的氣孔尺寸和分布特征進(jìn)行了研究；對(duì)于餅干類產(chǎn)品，Pareyt等[20]利用CT技術(shù)研究了曲奇餅干中糖油含量對(duì)餅干質(zhì)構(gòu)特征的影響，但目前將CT用于韌性餅干質(zhì)構(gòu)的研究尚鮮見報(bào)道。

本研究利用工業(yè)微焦距CT儀對(duì)由添加不同劑量的蛋白酶或焦亞硫酸鈉（以下簡(jiǎn)稱焦亞）的面團(tuán)所制備的餅干進(jìn)行了質(zhì)構(gòu)分析，將其結(jié)果與餅干常規(guī)物理特性進(jìn)行相關(guān)性分析，期望對(duì)餅干內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的衡量與評(píng)價(jià)的方法有所突破。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

面粉（白玉蘭高級(jí)糕點(diǎn)粉） 廣州市南方面粉股份有限公司；油脂（金燕起酥油） 嘉里油脂化學(xué)工業(yè)（天津）有限公司；桂花牌白砂糖 南寧桂華糖業(yè)有限公司；奶粉（雀巢甜奶粉） 黑龍江雙城雀巢有限公司；BK5020蛋白酶 德國(guó)穆勒酶制劑有限公司；碳酸氫鈉、碳酸氫銨、焦亞、氯化鈉等（均為分析純）天津啟輪化學(xué)科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HL200雙螺旋攪拌槳攪拌機(jī) 美國(guó)Hobart設(shè)備有限公司；SIM503壓面機(jī) 瑞士SeewRondo公司；PCCOLO-2BASIC醒發(fā)箱及烤爐 德國(guó)富照設(shè)備有限公司；0～150 mm游標(biāo)卡尺 上海三環(huán)量具有限公司；JA41002B電子天平 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；CT系統(tǒng)、MG226X射線管（焦點(diǎn)尺寸為0.1 mm）、Y.XRD 0820 AN18平板感應(yīng)器、VG Studio MAX2.0 CT重構(gòu)軟件 德國(guó)依科思朗設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 面團(tuán)制作與餅干烘烤

面團(tuán)基本配方為：面粉1 000 g、水250 g、白砂糖200 g、白酥油170 g、鹽8 g、碳酸氫鈉5 g、奶粉25 g、碳酸氫銨20 g。在基本配方基礎(chǔ)上，加入不同質(zhì)量的蛋白酶或焦亞以起到減弱面團(tuán)中面筋的作用（減筋），其中加入蛋白酶的質(zhì)量為0.4～2.0 g，梯度為0.2 g；加入焦亞的質(zhì)量為0.1～0.9 g，梯度為0.1 g。連同基本配方共形成19 個(gè)面團(tuán)配方。以基本配方制得的餅干為對(duì)照組，以加入蛋白酶或焦亞的配方制得的餅干樣品稱為蛋白酶餅干或焦亞餅干，具體以3 個(gè)大寫字母和2 個(gè)數(shù)字組合對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，PRO和SMS分別代表面團(tuán)中加入了蛋白酶或焦亞，兩個(gè)數(shù)字代表添加量。

面團(tuán)制作：先分別溶解蛋白酶或焦亞、碳酸氫銨以及奶粉，再將其余原材料加入攪拌桶，之后加入溶解的原料以及剩余水，攪拌使各原料混合形成面團(tuán)，在摩擦作用下，面團(tuán)會(huì)升溫至（45.0±0.5）℃，之后于醒發(fā)箱（45 ℃）內(nèi)松弛10 min（加入焦亞的面團(tuán)）或者60 min（加入蛋白酶的面團(tuán)）；松弛結(jié)束后，將面團(tuán)經(jīng)壓面機(jī)以12、9、6、4 mm的輥間隙逐步壓延成面片，之后將面片在長(zhǎng)度方向上三等分并折疊，轉(zhuǎn)置90°角后，重復(fù)上述壓延過程，共壓延3 次，3 次壓延后將面片進(jìn)一步以3.0、2.0、1.5 mm的輥間隙逐步壓延至1.5 mm厚，室溫松弛5 min后，利用手工印模器在面片上壓印切片成型。

餅干烘烤：將制作好的面團(tuán)置于220 ℃烤爐中烘烤12～14 min（不同餅干厚度不同，以餅干表面顏色金黃為準(zhǔn)），出爐后冷卻至26 ℃，最后裝入樣品袋并放入干燥器內(nèi)備用。

1.3.2 CT測(cè)試

對(duì)餅干的CT測(cè)試參考Lim等[19]的方法，略有調(diào)整。測(cè)試時(shí)，從每組餅干樣品隨機(jī)取3 個(gè)分別進(jìn)行掃描測(cè)試。掃描時(shí)將餅干直接垂直固定于泡沫樣品臺(tái)上表面中心位置，餅干正面垂直面對(duì)X光源，餅干中心字體“MARIE”保持垂直于水平面。由于泡沫樣品臺(tái)密度非常小，由此帶來的噪聲可以輕易消除。掃描開始后，樣品以樣品（臺(tái)）中心線為軸，以0.25°為遞增量，從0°旋轉(zhuǎn)至360°，每個(gè)遞增量停頓時(shí)，由X射線管發(fā)射X光對(duì)樣品在平板感應(yīng)器進(jìn)行投影，共獲得1 440 張投影。掃描過程中采用兩種不同的X光射線管工作電壓：140 kV和200 kV。工作時(shí)，需在X射線管管口加蓋3 片0.5 mm厚的銅片以減少光柱硬化。

1.3.3 CT結(jié)果處理

1.3.3.1 餅干的三維結(jié)構(gòu)觀察

圖1 餅干CT掃描結(jié)果處理示意圖Fig.1 Schematic illustration of CT results

對(duì)CT所得1 440 張投影利用重構(gòu)軟件進(jìn)行組合，并根據(jù)Feldkamp算法[21]重構(gòu)成為樣品的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，即以1 024 張厚度為1 像素的二維圖像（每張圖像分辨率1 024×1 024）堆疊形式保存。從三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中提取可以將整個(gè)餅干樣品完全包含的100×700×700區(qū)域（圖1A），并利用Otsu[22]的方法計(jì)算確定整個(gè)餅干用于區(qū)分氣泡與固體物質(zhì)的灰度閾值。利用CT重構(gòu)軟件的分割功能，可以對(duì)餅干內(nèi)部任意3 個(gè)維度上剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察（圖1B），利用這一功能對(duì)有代表性的蛋白酶餅干和焦亞餅干樣品的三維立體重構(gòu)圖進(jìn)行對(duì)比分析。

1.3.3.2 餅干軸向垂直截面氣泡的二維形態(tài)觀察

為避免邊界以及打孔產(chǎn)生影響，從餅干樣品的中心部位提取一個(gè)150×150×25體素的長(zhǎng)方體ROI（圖1B）用于計(jì)算餅干的孔隙率（氣泡占餅干總體積的比例）和氣泡軸向垂直截面平均面積。利用灰度閾值對(duì)組成ROI的軸向垂直截面圖像堆疊（含150 張圖像）中的每張?jiān)紙D像進(jìn)行二分位處理（圖1C），從而可對(duì)餅干軸向垂直截面的氣泡二維形態(tài)進(jìn)行觀察。為觀察不同餅干氣泡結(jié)構(gòu)特征，從不同樣品的ROI軸向圖像堆疊中隨機(jī)提取二分位圖像進(jìn)行對(duì)比。

1.3.3.3 餅干常規(guī)物理常數(shù)及CT參數(shù)的測(cè)定

由于面團(tuán)的收縮導(dǎo)致餅干呈現(xiàn)橢圓形，需要對(duì)餅干的厚度、長(zhǎng)軸直徑與短軸直徑分別通過游標(biāo)卡尺測(cè)定；餅干的變形率通過長(zhǎng)軸直徑與短軸直徑的比值計(jì)算得到。餅干的表觀密度測(cè)定參考謝婧等[23]測(cè)定餅干比容的方法。測(cè)定時(shí)，從每一批次餅干中隨機(jī)取10 個(gè)餅干進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果以平均值計(jì)。

在ROI的軸向垂直截面圖像的二分位處理的基礎(chǔ)上，利用ImageJ Freeware軟件的顆粒分析功能計(jì)算每個(gè)堆疊圖像中的氣泡軸向垂直截面（厚度為1 個(gè)體素）的面積（Axy）[20]。根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算孔隙率和氣泡軸向垂直截面平均面積。

式中：Sa表示氣泡軸向垂直截面平均面積/mm2；Kx表示圖像堆疊中任何一張圖像中的獨(dú)立氣泡截面數(shù)量/個(gè)；Sxy表示一個(gè)堆疊圖像上的一個(gè)氣泡軸向垂直截面（厚度為一個(gè)體素）的面積/mm2；x表示該氣泡截面所處的圖像在堆疊中的序號(hào)，其值為1～150；y代表該氣泡截面在所處的圖像上的序號(hào)，其值為1～Kx；P表示餅干的孔隙率/%；562 500表示ROI中總體素?cái)?shù)量；0.009 4表示一個(gè)像素的面積/mm2。

1.3.3.4 餅干氣泡分布的測(cè)定

為研究不同餅干樣品中氣泡大小分布特征，利用ImageJ Freeware軟件對(duì)每個(gè)樣品ROI中的所有氣泡軸向垂直截面面積（Sxy）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算不同大小的氣泡截面在所有氣泡截面中所占比例。另外根據(jù)Kelkar等[24]的方法，計(jì)算各餅干樣品的CT密度。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析方法

利用SAS 8.1軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用Duncan多線程檢測(cè)法對(duì)樣品參數(shù)進(jìn)行方差分析（P＜0.05）；采用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)不同指標(biāo)間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 餅干質(zhì)構(gòu)的三維觀察分析

觀察不同樣品發(fā)現(xiàn)，當(dāng)餅干變形率為1.05時(shí)，不易察覺其輕微的變形，外觀基本表現(xiàn)為圓形。當(dāng)進(jìn)一步增加蛋白酶或焦亞的量時(shí)，由于面團(tuán)面筋網(wǎng)絡(luò)被破壞，餅干表面光滑度變差，組織疏松度變差；因此，選擇變形率為1.05的PRO14和SMS06樣品（表1）分別作為蛋白酶餅干和焦亞餅干的代表，通過其ROI三維重構(gòu)圖觀察其組織構(gòu)造。由圖2可知，三維重構(gòu)圖可以清晰地將餅干內(nèi)部的三維立體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來。半甜韌性餅干的氣泡數(shù)量少、近似球形或橢球形，不同氣泡間具有高度的連通度，這一特征與Chevallier等[25]所研究的酥性餅干結(jié)構(gòu)特征比較接近，但與其他常見的多孔類食品結(jié)構(gòu)差別顯著，如面包面團(tuán)[16,26]、蛋糕[27]、巧克力馬芬、巧克力棒及草莓奶油慕斯類食品[19]中的氣泡多為獨(dú)立的圓球形氣泡，連通度較低。另外，對(duì)比兩種餅干發(fā)現(xiàn)，整體上，蛋白酶餅干的組織更為疏松，而焦亞餅干的組織明顯更為致密。從氣泡外形特征來看，蛋白酶餅干的組織結(jié)構(gòu)更為疏松，存在較大的孔洞，氣泡更為接近球形；而焦亞餅干的組織結(jié)構(gòu)更為致密，氣泡多為扁平型。這一區(qū)別可能是由于兩種不同的添加劑具有不同的減筋原理所致。

圖2 樣品PRO14（A）和SMS06（B）中ROI的三維重構(gòu)圖Fig.2 ROI reconstruction of samples PRO14 (A) and SMS06 (B)

2.2 餅干質(zhì)構(gòu)的軸向垂直截面二維形態(tài)觀察分析

由于餅干內(nèi)部組織孔洞高度通連，因此按照常規(guī)氣孔研究方式計(jì)算其氣泡三維直徑以及氣泡壁厚[18]等指標(biāo)沒有實(shí)際意義，本研究參照Lim等[19]的方法對(duì)餅干氣泡在軸向垂直截面上的二維特征進(jìn)行研究。圖3是從11 個(gè)代表性樣品的ROI圖像堆疊中抽取的有代表性的軸向垂直截面二分位圖。通過觀察各樣品軸向垂直截面結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，餅干的氣泡截面多為長(zhǎng)條形，少有圓形，且均為不規(guī)則形狀，這與餅干三維重構(gòu)圖反映出的結(jié)構(gòu)特征相同，即餅干內(nèi)氣泡為不規(guī)則的扁平形。在Saleem[9]、Mamat[10]等的研究中，掃描電子顯微鏡照片顯示出半甜韌性餅干微觀氣孔局部結(jié)構(gòu)均為扁平狀，這與本研究中的氣泡二維圖所顯示的特征一致。隨著蛋白酶或焦亞的添加量增加，餅干層次感變差，氣泡的相對(duì)尺寸逐漸減小，可能是蛋白酶或焦亞導(dǎo)致面筋網(wǎng)絡(luò)被破壞，其延展性減弱，因而氣體保持能力減弱。雖然蛋白酶和焦亞的減筋作用都使得餅干氣泡尺寸減小，但是前者劑量的增加使餅干內(nèi)部出現(xiàn)更大的氣泡，餅干層次感變差；而后者劑量的增加則使餅干內(nèi)部出現(xiàn)更多細(xì)碎的氣泡，但仍多為扁平狀，使餅干截面仍有較明顯的層次感，這方面的差異與三維重構(gòu)圖所表現(xiàn)出的特征相一致。蛋白酶餅干和焦亞餅干氣泡大小具有差別的原因可能在于，隨著蛋白酶添加量的增加，面筋蛋白分子被降解，分子長(zhǎng)度減小，但不影響分子間二硫鍵的交聯(lián)形成，面團(tuán)中仍然可以形成連續(xù)的面筋蛋白分子網(wǎng)絡(luò)，并保持了一定的延展性，因而能形成相對(duì)較大的氣泡；而焦亞的作用在于切斷面筋蛋白分子間的二硫鍵，因而面團(tuán)中連續(xù)的面筋蛋白分子網(wǎng)絡(luò)無法形成[28]，面團(tuán)延展性較差，無法形成較大氣泡。根據(jù)Dobraszczyk[29]的分子糾纏理論，連續(xù)的面筋蛋白分子網(wǎng)絡(luò)中分子糾纏力較強(qiáng)，因而面團(tuán)宏觀的延展性較好。關(guān)于蛋白酶和焦亞對(duì)面團(tuán)延展性的不同影響結(jié)果，在田金河等[30]的餅干面團(tuán)流變學(xué)研究中也有報(bào)道。

圖3 代表樣品ROI的氣泡垂直軸向截面圖Fig.3 Axial cross-sectional images of bubbles from representative samples

2.3 餅干常規(guī)物理參數(shù)及CT參數(shù)結(jié)果

表1 餅干常規(guī)物理參數(shù)及CT參數(shù)結(jié)果Table1 Physical properties and X-ray CT parameters of biscuits

由表1可知，隨著蛋白酶或焦亞劑量的增加，餅干變形率和厚度均逐漸減小，表觀密度逐漸增加，反映了烘烤過程中面團(tuán)保持氣體的能力降低；并且當(dāng)?shù)鞍酌竸┝吭黾又?.2 g或焦亞劑量增加至0.6 g時(shí)，餅干變形率較低（≤1.05），這表明餅干面團(tuán)筋力減弱、彈性變小，面團(tuán)收縮現(xiàn)象得到有效控制。觀察餅干的CT參數(shù)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)餅干CT密度與表觀密度變化趨勢(shì)一致，孔隙率、氣泡截面平均面積的變化則與餅干厚度變化趨勢(shì)一致。其中CT密度逐漸增大及孔隙率逐漸減小反映出餅干面團(tuán)保持空氣能力逐漸減小。

表2 變形率不大于1.05的蛋白酶及焦亞餅干物理參數(shù)、CT參數(shù)的平均值Table2 Comparison of physical properties and CT parameters between biscuits with reduced gluten strength by protease and SMS at the same eccentricity (≤1.05)

當(dāng)餅干變形率小于1.05時(shí)，餅干面團(tuán)收縮形變可以忽略，表明蛋白酶和焦亞對(duì)面團(tuán)產(chǎn)生了效果相當(dāng)?shù)臏p筋作用。表2中是蛋白酶餅干（PRO12～PRO20）和焦亞餅干（SMS06～SMS09）的物理參數(shù)及CT參數(shù)的對(duì)比結(jié)果。結(jié)果表明，焦亞餅干厚度顯著小于蛋白酶餅干，表觀密度顯著大于蛋白酶餅干（P＜0.05），這表明在同等減筋效果條件下，蛋白酶和焦亞由于其對(duì)面筋網(wǎng)絡(luò)不同的作用方式給餅干的物理特性帶來不同影響。觀察CT參數(shù)，這一差別同樣可以反映出：蛋白酶面團(tuán)餅干具有更小的CT密度以及更大的孔隙率值和氣泡截面平均面積值。

表3 餅干物理特性與CT參數(shù)結(jié)果相關(guān)性分析Table3 Correlation coefficients between biscuit physical properties and CT parameters

相關(guān)性分析表明（表3），3 項(xiàng)CT參數(shù)結(jié)果與蛋白酶或焦亞添加量均表現(xiàn)出顯著相關(guān)性（R＞0.9，P＜0.05），同時(shí)與餅干物理測(cè)試所得到的參數(shù)（厚度及表觀密度）之間也有顯著相關(guān)性（R＞0.9，P＜0.05）。

以上結(jié)果表明，餅干CT參數(shù)不僅能夠很好地反映蛋白酶或焦亞劑添加量不同所導(dǎo)致餅干質(zhì)構(gòu)方面產(chǎn)生的差異，也可以反映出減筋原理不同所導(dǎo)致餅干質(zhì)構(gòu)方面產(chǎn)生的差異。

2.4 餅干氣泡分布規(guī)律

為進(jìn)一步研究蛋白酶餅干與焦亞餅干質(zhì)構(gòu)特征差異性，從變形率較?。ā?.06）的餅干樣品中，選取等距劑量梯度的蛋白酶餅干（PRO12、PRO16、PRO20）和焦亞餅干（SMS05、SMS07、SMS09）樣品作為代表，分析樣品ROI中軸向垂直截面上不同截面積（即ROI內(nèi)所有Sxy的面積）氣泡的分布特征。由圖4可知，對(duì)于變形率較小的餅干樣品，蛋白酶餅干ROI中，截面積小于0.188 mm2的氣泡數(shù)量占總計(jì)數(shù)量的不足50%，而焦亞餅干中的氣泡數(shù)量均超過了70%；蛋白酶餅干ROI中，氣泡截面積超過0.564 mm2的氣泡數(shù)量超過15%，而焦亞餅干中不足2.5%。以上數(shù)據(jù)充分顯示出，在水平相當(dāng)?shù)臏p筋作用下，焦亞面團(tuán)餅干中的二維氣泡以較細(xì)碎的形式存在，而蛋白酶面團(tuán)餅干中的則以更大孔洞形式存在。通過CT測(cè)試所獲取的餅干二維氣泡截面積分布特征結(jié)果精準(zhǔn)地量化了前述由于不同減筋原理導(dǎo)致的餅干三維及二維結(jié)構(gòu)的差異，顯示了CT測(cè)試餅干質(zhì)構(gòu)方法的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

圖4 理想變形條件下餅干軸向氣泡截面積分布圖Fig.4 Distribution of axial cross-sectional bubble area from the ROI of biscuits with ideal eccentricity

3 結(jié) 論

利用CT法對(duì)半甜韌性餅干質(zhì)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，能夠很好地對(duì)餅干質(zhì)構(gòu)的變化加以量化，所得數(shù)據(jù)與餅干的常規(guī)物理參數(shù)具有高度的相關(guān)性，表明其結(jié)果能夠客觀地反映餅干質(zhì)構(gòu)特征。同時(shí)，通過CT以無損和重構(gòu)的方式對(duì)餅干結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，有利于更直觀地觀察餅干內(nèi)部各處局部構(gòu)造特征，大大地提高了餅干組織結(jié)構(gòu)信息的獲取量。因此，CT測(cè)試有效地解決了餅干這類松脆易碎食品的質(zhì)構(gòu)測(cè)定與觀察問題，對(duì)餅干的品質(zhì)研究以及控制具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。

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