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    花色苷脂肪酸脂酚衍生物工藝優(yōu)化及功能性脂肪酸分析

    2021-11-18 09:39:06李珊孫萬成羅毅皓
    中國(guó)調(diào)味品 2021年11期
    關(guān)鍵詞:酶法脂肪酶酯化

    李珊,孫萬成,羅毅皓

    (青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院,西寧 810016)

    牦牛是我國(guó)的青藏高原地區(qū)最主要的家畜,從其牛奶中提取的脂肪稱為牦牛酥油,性狀類似黃油。牦牛酥油富含多種功能性脂肪酸[1],且一些功能性脂肪酸含量較普通黃油差異明顯,譬如亞油酸是普通黃油的3倍,花生四烯酸和二十碳五烯酸(EPA)是普通奶油4倍和2倍,二十二碳六稀酸(DHA)含量也較普通奶油中的含量高[2]。

    黑枸杞(LyciumruthenicumMurr.)為茄科枸杞屬多棘刺灌木,在我國(guó)主要分布于青海、寧夏、甘肅等西部地區(qū),其果實(shí)味甜多汁,富含花青素和多糖等多種類活性成分,營(yíng)養(yǎng)豐富[3]。花青素作為一種植物色素,是單糖通過糖苷鍵連接形成的花色苷[4],由于花色苷的糖基化B環(huán)結(jié)構(gòu),使其具有較強(qiáng)的抗氧化活性,可以很好地清除自由基[5]?;ㄇ嗨貧w屬酚類化合物中的類黃酮類,其最大的特點(diǎn)是具有數(shù)量不等的酚羥基[6]。

    功能性脂肪酸可以有效降低人體血脂、血糖水平,減少心血管疾病的發(fā)病率和死亡率,具有預(yù)防癌癥、糖尿病、嬰兒發(fā)育不良和神經(jīng)及精神類疾病的作用[7],尤其對(duì)胃癌、乳腺癌、肝癌等惡性腫瘤具有很強(qiáng)的抑制作用,能使大腦功能和視覺功能最佳化[8]。研究最廣泛的是不飽和脂肪酸n-3系列和n-6系列[9]。不飽和脂肪酸作為多種代謝物(白細(xì)胞三烯、羥基脂肪酸和前列腺素)的前體,具有重要的生物活性[10]。由于哺乳動(dòng)物缺乏合成不飽和脂肪酸的能力,必須進(jìn)行膳食干預(yù)。然而,這種脂肪酸用于預(yù)防目的的實(shí)際用途是有限的,它們大部分易氧化,發(fā)生酸敗,產(chǎn)生不良風(fēng)味[11]。近年來,人們從一些天然脂酚中發(fā)現(xiàn)了兩種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)關(guān)系,對(duì)具有強(qiáng)抗氧化性的抗氧化劑如多酚類物質(zhì)與易氧化的化合物進(jìn)行反應(yīng)結(jié)合生成脂酚衍生物產(chǎn)生了興趣,將天然抗氧化劑與功能性脂肪酸進(jìn)行反應(yīng)制備脂酚衍生物,終止脂肪酸氧化的同時(shí)提高多酚的脂溶性,可將衍生物復(fù)配添加至脂質(zhì)基質(zhì)中,將大大拓展多酚的應(yīng)用市場(chǎng)[12]。Young等[13]將白藜蘆醇與不同鏈長(zhǎng)的脂肪酸發(fā)生酯化反應(yīng),對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾后發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇衍生物的脂溶性和抗氧化性都有所增強(qiáng),拓展了其在調(diào)味品保鮮及親油性食品中的潛在應(yīng)用。本研究選擇黑枸杞中提取的花色苷作為抗氧化劑,以牦牛酥油中提取的游離脂肪酸作為?;w發(fā)生酶法酯化反應(yīng)制備衍生物,對(duì)其反應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化,研究反應(yīng)后功能性脂肪酸是否進(jìn)行富集,制備功能性脂肪酸含量高的脂酚衍生物,為今后的研究奠定了基礎(chǔ)。

    1 材料與方法

    1.1 試驗(yàn)材料

    牦牛酥油:青海省祁連縣;新鮮黑枸杞:青海省格爾木市;三氟化硼甲醇:成都艾科達(dá)化學(xué)試劑有限公司;南極洲假絲酵母脂肪酶(CALB):杭州創(chuàng)科生物科技有限公司;AB-8大孔吸附樹脂:東鴻試劑有限公司。分析純正己烷、無水乙醇、異丙醇、氯仿、乙酸乙酯、石油醚、丙酮、甲醇:北京捷聯(lián)特科技有限公司;分析純氫氧化鉀、磷酸二氫鉀、氫氧化鈉、濃鹽酸、95%乙醇、氯化鈉、無水硫酸鈉:蘇州清泉化工貿(mào)易有限公司。

    1.2 儀器與設(shè)備

    GC-MS-TQ8050 NX氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 日本島津公司;電熱恒溫水浴鍋 上海比朗儀器有限公司;電熱鼓風(fēng)干燥箱、MVS-1旋渦混合器、THZ-A2恒溫振蕩器 常州國(guó)華電器有限公司;LC-04C高速4 ℃離心機(jī) 江蘇正基儀器有限公司;JM-13 3003電子天平 諸暨市超澤衡器設(shè)備有限公司。

    1.3 試驗(yàn)方法

    1.3.1 黑枸杞花色苷提取、分離及純化

    參照文獻(xiàn)[14]并稍作改動(dòng),稱取2 g黑果枸杞干粉于錐形瓶中,加入50 mL 80%乙醇(1%鹽酸酸化),避光恒溫超聲輔助提取,保留濾液。將濾液減壓濃縮(50 ℃),回收乙醇。將50 mL濃縮液置于錐形瓶中,加入5 g樹脂和100 mL蒸餾水,于30 ℃,150 r/min 的恒溫?fù)u床中進(jìn)行振蕩10 h,使其充分吸附至飽和。將吸附飽和的大孔樹脂充分過濾后,加入pH 3.0的80%酸性乙醇溶液20 mL,于30 ℃,150 r/min的恒溫?fù)u床中進(jìn)行振蕩處理,使其充分解吸,將解吸液在40 ℃條件下減壓蒸餾,再冷凍干燥,得到純度為85%的黑果枸杞花色苷粉末。

    1.3.2 牦牛酥油尿素絡(luò)合純化游離脂肪酸

    本研究采用皂化-酸化法粗提游離脂肪酸,再經(jīng)絡(luò)合結(jié)晶法純化游離脂肪酸。

    1.3.3 酶法酯化反應(yīng)

    將花色苷粉末、游離脂肪酸、有機(jī)溶劑、分子篩和磁力轉(zhuǎn)子依次加入到螺旋玻璃反應(yīng)管中。將反應(yīng)管放置于設(shè)有一定溫度的磁力攪拌器中溶解花色苷粉末。溶解完全后加入催化劑脂肪酶CALB,在一定溫度下反應(yīng)若干小時(shí)后取出。反應(yīng)完成后,用濾紙濾除酶和分子篩終止反應(yīng)。用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器回收乙醇,得到酶法酯化產(chǎn)物粗品。將上述酯化產(chǎn)物粗品用乙酸乙酯-水混合液萃取3次,收集乙酸乙酯層,用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器濃縮干燥后得到酶法酯化產(chǎn)物。

    1.3.4 酶法酯化產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率的計(jì)算

    1.3.5 單因素試驗(yàn)

    本研究酯化反應(yīng)以反應(yīng)溶液、脂肪酶添加量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和純化后的花色苷與游離脂肪酸底物摩爾比作為單因素進(jìn)行試驗(yàn),并計(jì)算酯化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率確定,最優(yōu)反應(yīng)發(fā)生的條件,單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下:

    反應(yīng)溶劑:取0.50 g花色苷粉末和1.00 g游離脂肪酸加入2.0%(W/W)CALB,在反應(yīng)溫度為50 ℃、反應(yīng)時(shí)間為12 h的條件下,考察50 mL反應(yīng)溶劑(乙酸乙酯、甲醇、乙醇、丙酮、異丙醇)對(duì)酯化反應(yīng)的影響。

    脂肪酶添加量:取0.50 g花色苷粉末和1.00 g游離脂肪酸加入到裝有50 mL乙醇的螺旋玻璃反應(yīng)管中,在反應(yīng)溫度為50 ℃、反應(yīng)時(shí)間為12 h的條件下,考察脂肪酶添加量(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%)對(duì)酯化反應(yīng)的影響。

    反應(yīng)溫度:取0.50 g花色苷粉末和1.00 g游離脂肪酸混合到裝有50 mL乙醇的螺旋玻璃反應(yīng)管中,加入2.0%(W/W)CALB,在反應(yīng)時(shí)間為12 h的條件下,考察反應(yīng)溫度(40,45,50,55,60 ℃)對(duì)酯化反應(yīng)的影響。

    反應(yīng)時(shí)間:取0.50 g花色苷粉末和1.00 g游離脂肪酸加入2.0%(W/W)CALB,在反應(yīng)溫度為50 ℃的條件下,考察反應(yīng)時(shí)間(4,8,12,16,20 h)對(duì)酯化反應(yīng)的影響。

    花色苷與游離脂肪酸底物摩爾比:取花色苷粉末和游離脂肪酸不同底物摩爾比加入2.0%(W/W)CALB,在反應(yīng)溫度為50 ℃、反應(yīng)時(shí)間為12 h的條件下,考察花色苷與游離脂肪酸不同摩爾比(1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3)對(duì)酯化反應(yīng)的影響。

    1.3.6 響應(yīng)面法優(yōu)化酯化反應(yīng)工藝條件

    根據(jù)單因素試驗(yàn)確定的因素和水平,采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)最佳反應(yīng)條件。根據(jù)Box-Benhnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,研究脂肪酶添加量(A)、反應(yīng)溫度(B)、反應(yīng)時(shí)間(C)、底物摩爾比(D)對(duì)酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響。

    1.3.7 脂肪酸組成分析

    1.3.7.1 樣品甲酯化

    取適量樣品,加入5 mL正己烷溶解,加入0.5 mol/L氫氧化鉀甲醇溶液,超聲10 min,定容至10 mL,靜置2 h,取上清液,加入無水硫酸鈉除水后待GC-MS分析使用。

    1.3.7.2 GC-MS分析

    GC-MS條件:進(jìn)樣量1 μL,汽化溫度:280 ℃,氣體流量:50 mL/min,載氣:氦氣。

    升溫程序:150 ℃(5 min),5 ℃/min→200 ℃(6 min),2 ℃/min→230 ℃(25 min)。

    質(zhì)譜條件:DB-5MS色譜柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm);離子源溫度:250 ℃;接口溫度:285 ℃。

    1.3.8 數(shù)據(jù)處理

    采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,結(jié)合 SPSS 數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 單因素試驗(yàn)分析

    2.1.1 反應(yīng)溶液對(duì)酶法酯化反應(yīng)的影響

    5種不同的反應(yīng)溶劑作為發(fā)生反應(yīng)的介質(zhì),對(duì)酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響見圖1。

    圖1 反應(yīng)溶液對(duì)酶法酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響 Fig.1 Effect of reaction solution on conversion rate of enzymatic esterification

    由圖1可知,反應(yīng)溶劑為乙醇時(shí),酯化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率最高,這可能與有機(jī)溶劑的油水分配系數(shù)(log p)值有關(guān)。Laane等[15]研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)酶活與有機(jī)溶劑的log p值有關(guān),有機(jī)溶劑的log p值越低,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率越高。本研究選用5種不同的有機(jī)溶劑,乙酸乙酯(log p=0.68)、甲醇(log p=-0.76)、乙醇(log p=-0.24)、丙酮(log p=-0.23)、異丙醇(log p=0.28)。作為反應(yīng)溶劑,酶法酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率依次為乙醇>丙酮>甲醇>異丙醇>乙酸乙酯。因此,試驗(yàn)選擇乙醇為反應(yīng)溶劑。

    2.1.2 脂肪酶添加量對(duì)酶法酯化反應(yīng)的影響

    反應(yīng)中添加不同量的脂肪酶對(duì)酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響見圖2。

    圖2 脂肪酶添加量對(duì)酶法酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響Fig.2 Effect of lipase additive amount on conversion rate of enzymatic esterification

    脂肪酶作為催化劑會(huì)直接影響反應(yīng)速率及達(dá)到平衡的時(shí)間,是影響酯化反應(yīng)的一個(gè)重要因素。由圖2可知,選用的CALB對(duì)酯化反應(yīng)的催化效果明顯。添加1.0%的脂肪酶時(shí),酯化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為65.67%。當(dāng)脂肪酶添加量為2.0%時(shí),酶法酯化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率最高,可達(dá)88.20%。當(dāng)脂肪酶添加量超過2.0%后,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這可能是因?yàn)檫m量的酶作為催化劑可以加速反應(yīng)的進(jìn)行,但過量會(huì)導(dǎo)致酶與底物的接觸面積減少,從而降低酶與底物的活性位點(diǎn)的接觸,最終影響反應(yīng)的進(jìn)行[16]。因此,確定脂肪酶添加量為2.0%。

    2.1.3 反應(yīng)溫度對(duì)酶法酯化反應(yīng)的影響

    反應(yīng)溫度對(duì)酶法酯化反應(yīng)的影響見圖3。

    圖3 反應(yīng)溫度對(duì)酶法酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on conversion rate of enzymatic esterification

    由圖3可知,酶法酯化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高而增加,當(dāng)溫度達(dá)到50 ℃時(shí),反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率最高,達(dá)86.20%。對(duì)于酯化反應(yīng)而言,提高溫度可以促進(jìn)底物分子之間的碰撞,從而加快反應(yīng)速率,當(dāng)溫度達(dá)到酶的最適溫度時(shí),酶的活性最高[17]。繼續(xù)提高溫度,轉(zhuǎn)化率有下降的趨勢(shì)。由于酯化反應(yīng)是吸熱的可逆反應(yīng),當(dāng)溫度過高時(shí)會(huì)發(fā)生水解反應(yīng),導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率下降[18]。且超過酶最適溫度的高溫會(huì)使酶活性及選擇性喪失,也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率降低。因此,選擇50 ℃為酶法酯化反應(yīng)的最佳溫度。

    2.1.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)酶法酯化反應(yīng)的影響

    反應(yīng)時(shí)間對(duì)酶法酯化反應(yīng)的影響見圖4。

    圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)酶法酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響Fig.4 Effect of reaction time on conversion rate of enzymatic esterification

    由圖4可知,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間由4 h增加到12 h時(shí),發(fā)現(xiàn)酶法酯化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率顯著增加。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為12 h時(shí),轉(zhuǎn)化率高達(dá)86.10%。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過12 h后,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率無明顯差異,表明反應(yīng)趨于平穩(wěn),考慮試驗(yàn)條件及效率,選擇12 h為酶法酯化反應(yīng)的最佳反應(yīng)時(shí)間。

    2.1.5 花色苷與游離脂肪酸底物摩爾比對(duì)酶法酯化反應(yīng)的影響[19]

    花色苷與游離脂肪酸底物摩爾比對(duì)酶法酯化反應(yīng)的影響見圖5。

    圖5 底物摩爾比對(duì)酶法酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響Fig.5 Effect of substrate molar ratio on conversion rate of enzymatic esterification

    酯化反應(yīng)作為一個(gè)可逆反應(yīng),底物的用量是影響轉(zhuǎn)化率的一個(gè)重要因素。由圖5可知,將花色苷粉末與脂肪酸質(zhì)量比從1∶1增加到1∶2時(shí),反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率明顯提高,最高達(dá)86.5%。當(dāng)?shù)孜镔|(zhì)量比超過1∶2時(shí),反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率開始降低,這是因?yàn)楫?dāng)脂肪酸含量較多時(shí)會(huì)稀釋脂肪酶的濃度,影響酶的催化作用,從而降低轉(zhuǎn)化率。

    2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化酯化反應(yīng)工藝條件

    根據(jù)單因素試驗(yàn)確定的因素和水平,采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)確定最佳工藝條件。根據(jù)Box-Benhnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,研究了脂肪酶添加量(A)、反應(yīng)溫度(B)、反應(yīng)時(shí)間(C)、底物摩爾比(D)對(duì)酶法酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響。響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平和響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表1和表2。

    表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 1 Response surface experimental factors and levels

    表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Response surface experimental design and results

    2.2.1 轉(zhuǎn)化率的響應(yīng)面模型的建立與方差分析

    各因素經(jīng)回歸擬合得到轉(zhuǎn)化率與脂肪酶添加量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度和底物摩爾比的二次多項(xiàng)式回歸模型:Y=+86.80+8.67A+7.02B+0.53C+12.73D-0.88AB-0.32AC-9.95AD+3.03BC+8.80BD-1.35CD-0.65A2-10.65B2-3.43 C2-9.45D2。

    該模型的方差分析見表3。

    表3 轉(zhuǎn)化率方差分析Table 3 Analysis of variance of conversion rate

    續(xù) 表

    由表3可知,該模型的P<0.01,差異顯著。失擬項(xiàng)的P=0.5320>0.05,不顯著,說明模型可以很好地預(yù)測(cè)酶法酯化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率,具有實(shí)際應(yīng)用意義。脂肪酶添加量(A)、反應(yīng)溫度(B)、反應(yīng)時(shí)間(C)、底物摩爾比(D)對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響均顯著;影響反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的順序依次是A>B>C>D。

    2.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化最佳條件及模型的驗(yàn)證

    利用Design Expert軟件進(jìn)行嶺脊分析,得到模型最佳點(diǎn)為:脂肪酶添加量1.90%、反應(yīng)溫度53.90 ℃、底物摩爾比1∶2.03、反應(yīng)時(shí)間11.36 h。在此條件下轉(zhuǎn)化率預(yù)測(cè)值為92.60%。結(jié)合實(shí)際條件,選擇脂肪酶添加量2.0%、反應(yīng)溫度50 ℃、底物摩爾比1∶2、反應(yīng)時(shí)間12 h進(jìn)行驗(yàn)證,得到反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為91.55%。試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值相近,表示響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化得到的方案可靠。

    2.3 游離脂肪酸與酶法酯化產(chǎn)物的脂肪酸組成分析

    對(duì)游離脂肪酸和脂酚產(chǎn)物進(jìn)行甲酯化處理,用GC-MS檢測(cè)分析兩者的脂肪酸組成成分,圖譜見圖6和圖7,脂肪酸成分見表4。

    圖6 反應(yīng)前脂肪酸GC-MS譜圖Fig.6 GC-MS spectra of fatty acid before reaction

    圖7 反應(yīng)后脂肪酸GC-MS譜圖Fig.7 GC-MS spectra of fatty acid after reaction

    表4 酯化反應(yīng)前后脂肪酸含量變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 4 Changes in fatty acid content before and after esterification %

    由表4可知,反應(yīng)前提取的游離脂肪含有1.12%的支鏈脂肪酸,酯化反應(yīng)得到的產(chǎn)物支鏈脂肪酸含量增加了25.62%,是反應(yīng)前的23倍。支鏈脂肪酸作為一種具有特殊結(jié)構(gòu)的脂肪酸,與直鏈脂肪酸相比氧化穩(wěn)定性更好,具有降脂、抗炎、抗癌等生理活性。飽和脂肪酸含量從 56.18%下降至27.64%。人體攝入過量的飽和脂肪酸會(huì)導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化等疾病,本試驗(yàn)中飽和脂肪酸含量的降低可能是因?yàn)椴糠种舅嵩诿复僮饔孟罗D(zhuǎn)化成了不飽和脂肪酸。多不飽和脂肪酸含量增加了4.38%,尤其是DHA增加了3.24%。本研究富集的脂肪酸主要是n-6多不飽和脂肪酸,其中亞油酸7.71%,DHA 3.24%,γ-亞麻酸的代謝物PGE1 33.55%。PGE1是γ-亞麻酸的環(huán)氧合酶代謝物,在體內(nèi)可以轉(zhuǎn)變成具有擴(kuò)張血管作用的前列腺環(huán)素(PGI2),保持與血管收縮素的平衡,防止血栓的形成。

    3 結(jié)論

    將花色苷粉末與游離脂肪酸在脂肪酶CALB的催化下發(fā)生酯化反應(yīng)合成脂酚產(chǎn)物,通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)條件獲得脂肪酸轉(zhuǎn)化率最高的工藝條件為:脂肪酶添加量為2%,反應(yīng)溫度為50 ℃,反應(yīng)時(shí)間為12 h,底物摩爾比為1∶2,該條件下酯化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率最高可達(dá),91.55%。將經(jīng)過甲酯化處理的游離脂肪酸和脂酚產(chǎn)物進(jìn)行GC-MS檢測(cè),分析比較兩者的脂肪酸組成成分。結(jié)果表明酯化產(chǎn)物脂酚衍生物功能性脂肪酸明顯富集,支鏈脂肪酸和多不飽和脂肪酸都顯著增加,飽和脂肪酸含量降低。

    本研究為今后多酚與脂肪酸結(jié)合研究提供了思路與參考。將親水性的多酚提高脂溶性的同時(shí)添加脂質(zhì)基質(zhì),使功能性脂肪酸有所富集,不僅可以拓寬花色苷等多酚物質(zhì)作為天然抗氧化物在食品中的應(yīng)用,而且可憑借富集的功能性脂肪酸應(yīng)用于功能性食品中。

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