小麦作为全球范围内种植最广泛的作物之一,其总产量约占全球粮食作物总产量的三分之一。世界三分之一以上的人口以小麦为主要食用谷物[1]。小麦麸皮作为小麦粉加工过程中的副产物,其表皮颜色为麦黄色,普遍呈片状或粉状。胚芽加工过程中,内胚层和内胚层后的残留物统称为麸皮,约占小麦的22%~25%[2]。我国小麦麸皮的年产量在2 000万吨以上,大多加工成饲料,很少被食用。
麦麸价格低廉,其中的B族维生素和矿物质有巨大的开发和利用潜能。据相关研究报道,小麦麸皮可以改善便秘,并促进脂肪和氮的排泄,有较好的降低血清胆固醇效果、延缓动脉粥样硬化的形成[3],还可以保护正常细胞免受氧化破坏[4],其中的活性物质也有利于人体健康。但与精制面粉产品相比,其无论是口感还是色泽都较差,消费者对全麦或麸皮制品的接受率普遍偏低。因此,目前许多研究人员将麸皮进行改性,这不仅能改善麦麸食用品质不佳的缺点,还可以提高麦麸中的营养成分及活性成分含量。近年来,生物改性被越来越多的应用于食品。酶法改性虽然条件温和、速度快、食用品质好,但其价格高昂[5],因此应用较少。发酵法的基本原理是利用微生物在发酵过程中产生大量酸性代谢产物,并在酸性条件下破坏食物纤维的糖苷键,产生新的还原性末端。目前麸皮发酵有两种,第一种是借助微生物菌种对小麦麸皮进行改性,例如酵母菌、里氏木霉菌、黑曲霉或者复合菌来改性;第二种是利用自然环境中的微生物进行发酵。发酵法具有操作简单、安全性高的优点,但缺点是时间长、创新性低。
本文综述利用小麦麸皮开发的不同种类产品和生物发酵对小麦麸皮理化性质、营养成分、食用品质的影响以及麦麸回添面粉中对后续面团品质、色泽、气味、感官的影响。
非淀粉多糖、淀粉、蛋白质、维生素和酚类物质是小麦麸皮的主要成分,其中非淀粉多糖含量占1/2,阿拉伯木聚糖是小麦细胞壁的主要成分,也是当前研究最广泛的物质。酚类物质多以酚酸、类黄酮、阿魏酸研究利用为主,其具有较强的抗氧化活性,有利于清除体内自由基,对癌症的预防也有重要作用[6]。麸皮营养成分含量如表1所示。
表1 麸皮营养成分百分含量
Table 1 Nutrient content of bran
营养成分 含量/%淀粉 10~15蛋白质 12~18脂肪 4~5膳食纤维 35~50纤维素 5~12非淀粉多糖 45~60
麦麸非淀粉多糖是一种新型健康食糖,具有降血脂、降血糖、抑制癌细胞等功效。同时对体内双歧杆菌具有很高的选择性增殖作用[7]。阿拉伯木聚糖能有效提高细胞干扰素产率、白细胞杀菌率,从而增强机体免疫。因其具有破坏癌细胞的能力,所以可以很好地抑制癌细胞的附着和生长繁殖[8]。
麦麸中含有较高的蛋白质,是植物蛋白的优质来源,并且含有丰富的活性物质,有利于人体的生长代谢[9]。麦麸蛋白中赖氨酸、精氨酸、丙氨酸、天冬酰胺和甘氨酸含量较高,并且含有少量谷氨酰胺、脯氨酸、苯丙氨酸和含硫氨基酸。麦麸蛋白也可以制备功能性的多肽,如抗氧化多肽、抗疲劳肽等。
有研究表明,小麦麸皮中共有7种酚酸类化合物,分别为阿魏酸、绿原酸、p-香豆酸、异阿魏酸、丁香酸、咖啡酸、芥子酸。麦麸的外皮层中酚酸含量最高,在结合细胞壁的刚性结构中是稳定的。酚酸类物质对肿瘤细胞和癌细胞具有较强的抑制作用,并对亚硝胺和多环芳香烃等有毒物质具有显著的抑制作用和使其诱变的作用[10]。
膳食纤维作为可食用植物的一部分,具有抑制小肠的消化吸收和抵抗大肠的发酵功能。膳食纤维包括多糖、低聚糖、木质素等。麸皮中的粗纤维含量在10%以上,许多调查研究表明,膳食纤维具有润肠通便、平衡血糖水平、降低血液中胆固醇水平、预防脂肪肝和预防心血管疾病的功能[11]。
未经加工的小麦麸皮粒度过大,口感较差,因此主要用于动物饲养。但其中的营养物质丰富,特别是含有膳食纤维、蛋白质、低聚糖等。市售的食用麸皮都是经过加热精制后的产品,既改善了麸皮中原有的微生物和植酸酶活性,还提高了二次加工的适应性[12]。
肉类产品营养丰富,饱腹感强,是人体获取营养素的重要来源,在饮食中起着非常重要的平衡作用。但肉制品的脂肪、胆固醇、能量很高,且肉制品中纤维含量较少,食用过多易对机体产生危害。叶丹等[13]分别用发酵麸皮和非发酵麸皮替代猪肉丸中部分脂肪,大大降低了猪肉丸中的饱和脂肪酸含量,开发出一款营养丰富的低脂猪肉丸。王海滨等[14]在火腿肠中添加7.5%的麸皮,代替了其中50%脂肪,热量也大大降低,制成新型纤维火腿肠。Choe等[15]将猪皮与小麦麸皮混合添加到弗兰克香肠中,香肠热量明显减少,且感官风味没有明显变化。Vuholm等[16]将小麦麸皮、黑麸皮、小麦面粉添加到香肠中,使麦麸香肠饱腹感增加。Talukder等[17]将小麦膳食纤维添加到鸡肉馅饼中,得到了品质优良的高膳食纤维鸡肉馅饼。Carvalho等[18]探讨不同程度的小麦水化纤维替代牛肉汉堡中的肉和脂肪,感官接受度相同,同时蛋白质、脂肪含量,以及热量随麦麸含量增加而减少,但饱腹感与普通汉堡相同。
在肉制品中加入麦麸,不仅可以充分利用小麦麸皮中优质膳食纤维、低聚糖等,还可以有效弥补产品本身不足之处,满足不同消费者需求。
随着生活质量的不断提升,人们对饮品的需求也不断提升。如今越来越多的人将目光聚焦在饮料的功能性。麦麸膳食纤维饮料走入人们的视野,成为研究的热点。
章中[19]将麦麸中膳食纤维和橙汁调配,研发出一款新型营养饮料。吴卫国等[20]将小麦麸皮用化学与生物联合法进行处理,提取膳食纤维,再与花生液混合,研发出一款新型功能饮料。Pasqualone等[21]对以小麦麸皮和玉米粉的水悬浮液自然发酵而成的Bors,饮料进行连续发酵,挥发物(醇、羧酸、酯类)、刺激性酸味和羊奶干酪的气味在较高的发酵温度下增加,而麸皮和酸奶的气味减少。在4℃下添加天然发酵剂可以平衡气味强度和抗氧化活性。Mantzourani等[22]以脱木素麦麸(delignified wheat bran,DWB)为载体,通过生物发酵制备了一种功能性石榴饮料,该产品可以结合副干酪乳杆菌K5的潜在益生菌特性、DWB的益生元特性和石榴的营养特性,容易被消费者接受。该研究还利用副干酪乳杆菌K5细胞游离或固定在麦麸上,以山茱萸樱桃汁为原料,通过发酵生产一种新型的、健康的合生元饮料[23]。菅田田等[24]用乳酸菌发酵后的小麦麸皮与高酸海棠果混合,制备抗氧化活性良好、口感佳、营养丰富的麸皮高酸海棠果饮料。还有研究者以麸皮和红枣为材料,制汁复合后,经过乳酸发酵、调配和澄清等工序,制成麸皮红枣汁乳酸发酵饮料[25]。将麸皮纤维与酶解液结合,不仅提取出膳食纤维又制作出风味独特的麦香茶,茶体透明不浑浊,具有炒茶独特焦香[26]。张俊杰等[27]以小麦麸皮和茶叶为主要原料,制备出调节血糖浓度、降低血脂水平、抑制有毒发酵产物、抗衰老及氧化等功效的麸香茶饮料。当前小麦麸皮饮料,不再仅关注改善食用品质,而是对饮料中的功能成分进行探究。
随着乳业的发展和人们牛奶消费习惯的改变,酸奶已经成为人们餐前饭后、休闲放松的必备品。酸奶具有降低胆固醇水平、改善肠道内环境、提高机体免疫力等功能,而小麦麸皮中的某些成分对酸奶的功效具有提升作用。Aportela等[28]向每100 mL酸奶中添加50 mg钙和2种麦麸来源的3种纤维,降低了脱水率,提高酸奶的黏稠率。李雪玲[29]将麸皮膳食纤维加入到生牛乳中,通过乳酸发酵,制得高纤维高蛋白的酸奶。毛景海等[30]将麸皮中膳食纤维进行提取分离纯化,制作膳食纤维酸奶,并不断优化酸奶制作工艺,得到具有增强肠道蠕动、排除体内毒素、提高人体免疫力功效的新型膳食纤维酸奶。曹新志等[31]以小麦麸皮膳食纤维和优质复原乳为主要原料,经乳酸发酵,通过单因素试验,初步确定小麦麸皮膳食纤维保健型酸奶主要原料最佳配比,制备出了一种新型保健酸奶。
小麦麸皮在面制品应用中最常见,特别是在馒头、面包、饼干中的应用。大量的研究表明,在面制品中添加小麦麸皮能够提高其维生素和膳食纤维含量,增强饱腹感,同时有利于减肥,因此麸皮面制品越来越受到年轻人的喜爱。
Kaur等[32]以麦麸膳食纤维与意大利面为主要原料,制备感官和性质更容易被消费者接受的面食,其营养更均衡,口感更丰富。Lebesi等[33]研制出一款富含麸皮膳食纤维、营养全面的纸杯蛋糕。Gomez等[34]为提高面制品的营养价值,将小麦麸皮进行改性后再次回添到普通市售面粉中。刘艳香等[35]研究发现添加麸皮粉的馒头呈淡黄棕色,色泽较深,不如普通面粉白亮,且体积较小,质地较硬,但麦香味更浓郁。刘姣等[36]为改善全麦挂面品质,采用木聚糖酶酶解处理技术对全麦粉麸皮组分进行加工预处理,制备质构特性变化不大、营养品质明显提高的面条。王小平等[37]利用甜酒曲联合酵母发酵得到的麸皮与面粉混合,制成新型面包,此款面包的感官评分及质构指标明显优于单纯的麸皮面包,且抗氧化活性有一定程度的提高。肖志刚等[38]将改良后的小麦麸皮添加至高筋粉中得到不同小麦麸皮含量的面粉并将其制作成含麸皮面包,其稳定性、贮藏性和质构得到明显提高。还有研究者在常规酥性饼干配方基础上添加适量的麸皮,制成膳食纤维含量丰富、品质优良的新型酥性饼干[39]。Filipčev等[40]用富含麦片混合物的饼干配方并添加麦麸替代部分脂肪,制备能够减脂且更具营养价值的饼干。
当前,全球范围内,面制品的种类繁多,研究空间巨大,在面制品中添加适宜的麸皮,不仅可以平衡膳食,而且可以促进膳食纤维主食的发展。
目前有学者已经研发出了一款口感绵软、营养丰富,具有保健功能的麦麸膳食纤维软糖。同时在当前市场中利用麦麸膳食纤维粉制备出软硬适中、口感丰富的新型咀嚼片也成为消费者的首选。目前市面上还有一些冰淇淋中也添加了小麦麸皮。小麦麸皮在油条中的添加与应用使得居民的饮食结构更加丰富。越来越多的小麦麸皮产品被不断研发并投向食品市场,但仍不易被消费者接受,所以小麦麸皮产品开发还有待进一步研究。
为解决小麦麸皮制品的色泽、口感、营养等问题,越来越多的研究者将微生物发酵技术应用于小麦麸皮制品的前处理,经过前处理后的小麦麸皮和产品的各种性质发生了改变。
小麦麸皮经过生物发酵后理化性质发生了不同变化,面制品烘烤前用生物发酵来处理小麦麸皮不仅能够增大面包体积,使面包更加松软绵密,还可以改善面包色泽口味,延长面包的货架期。无论是感官评分还是色差L、b值,均明显优于麸皮面包,接近普通市售面包的各项指标。Tu等[41]研究表明发酵麸皮面团的保水能力和膨胀能力得到提高,在发酵6 d内,麦麸的吸水性指数、水溶性指数和膨胀能力明显提高。与未发酵麸皮相比,发酵麸皮中上述参数分别提高7.18%、325.00%和81.05%。此外,麸皮发酵后的酸碱性由弱酸性变为弱碱性。Coda等[42]研究发现,发酵后pH值降低,天然麸皮的pH值在6.2~6.7内,而发酵24 h后pH值为5.6~5.8。王太军[43]证明小麦麸皮发酵过程中菌落总数先降低后升高且随着发酵时间的延长,pH值下降到4.0左右,然后趋于稳定,总酸度(total acidity,TTA)升高。发酵后的麸皮持水力、水溶性指数和吸水指数提高。发酵麸皮的添加可弥补麸皮馒头本身存在的缺陷,赋予馒头更好的口感。Hartikainen等[44]试验表明添加天然麸皮的面包粉中膳食纤维(dietary fiber,DF)含量达到8%时,面包体积减小,面包屑硬度增加,含发酵麸皮面包具有与白小麦面包相同的体积和硬度。Katina等[45]研究发现,与未发酵面包相比,含酵母发酵去皮麸皮的面包体积和面包屑柔软度有所提高。
大量研究表明,将发酵麸皮添加到肉制品中对pH值、失水率、剪切力均无明显影响[46]。胡宇超等[47]研究表明发酵麸皮的添加提高了肉的嫩度。张俊等[48]将发酵麸皮应用于火腿肠,火腿肠的色泽本身无显著变化,保水性得到提高,黏性也有显著改善。对于发酵麸皮肉糜来说,无论是保水性、蒸煮失损率、乳化稳定性均有所改善[49]。添加微生物发酵产品有效改善了肉类的色泽,使其颜色更加鲜艳,吸引更多消费者[50]。
发酵麸皮酸奶,发酵时间延长,其pH值呈降低的趋势,同时其酸度呈现上升的趋势,当麦麸膳食纤维添加量在1%~2%时,酸奶色泽、质地和口感均较好,且麸皮酸奶持水力有所增加,最高达到91.28%[51]。
发酵麸皮饼干比普通饼干具有更高的TTA,并且增加了饼干的咬合力,加快了色泽的形成。小麦麸皮蛋白质冰淇淋因为具有良好的膨胀率,所以气泡稳定,同时冰淇淋的保型性和抗融性显著提高。经过微生物发酵的米粉其硬度、抗断能力、延展性均有所增加[52]。
大量研究表明,谷物中的酚酸类化合物因具有很强的抗氧化活性而对心脏病和癌症有积极的预防作用。小麦麸皮作为酚酸的重要来源,被广泛应用于抗氧化产品的研发中。麸皮经过微生物发酵后,酚酸类含量提高,有效地提高麦麸的抗氧化性能。
面制品中添加发酵麸皮能够提升其抗氧化活性。Moore等[53]研究表明,微生物固态发酵小麦麸皮能够显著提高麸皮的抗氧化性能,包括对过氧基(oxygen radi cal absorbance capacity,ORAC)、ABTS+自由基、DPPH自由基和羟基自由基的清除能力,显著提高总酚含量和酚酸含量。Schmidt等[54]以麸皮和发酵麸皮为原料,研究麸皮和发酵麸皮的酚类提取物对DPPH自由基的清除能力以及对过氧化物酶和多酚氧化酶的抑制作用。结果表明,发酵过程中酚类化合物的含量增加了2倍以上,其中阿魏酸的含量随发酵时间的延长而增加,从33 mg/g增加至765 mg/g。酚类提取物对DPPH自由基和过氧化物酶有抑制作用,但对多酚氧化酶无抑制作用。史俊祥[55]研究表明,经过发酵处理后的麸皮制品可有效提高大鼠血浆及肝脏中的抗氧化酶活性和谷胱甘肽含量,有明显的抗氧化能力。
将发酵麸皮应用于肉制品也可以提高肉的抗氧化活性。例如,将发酵麸皮添加到羊肉中可以提高羊肉本身肌肉的抗氧化酶活性,进而提高抗氧化活性。杨敏[56]的试验表明,经过微生物发酵后的麸皮香肠对大鼠具有更强的清除自由基能力及抗氧化能力。
程细菊[57]将发酵麸皮汁与海棠果混合,制得饮料,其DPPH·清除能力大大提高。留麸香茶饮料的研究表明,麸皮中的酚类物质能有效清除自由基、抑制细胞膜脂质氧化、防止脂褐质形成等。
发酵麸皮饼干具有良好的抗氧化能力,这是因为发酵后的麸皮中酚酸含量大大增加,同时,发酵麸皮饼干的预测血糖指数降低。汤葆莎等[58]研发的麦麸膳食纤维咀嚼片具有较高的脂质过氧化抑制作用和羟自由基清除能力。
随着发酵麸皮用量的增加,其峰值黏度、最低黏度、最终黏度、回生值均显著降低,糊化温度较普通面粉有所提高。与麸皮面团相比,发酵麸皮面团的吸水率显著降低,形成时间和稳定时间缩短,拉伸阻力明显提高,延伸度显著下降。微生物发酵改性后的麸皮制作而成的面团中面筋蛋白二级结构更加趋于稳定[59]。发酵麸皮面包的硬度、黏性和咀嚼性随着麦麸发酵时间的延长而降低。赵慧敏等[60]证明发酵麸皮有助于改善重组全麦粉的糊化特性,使其向空白小麦粉靠近。小麦粉中加入麸皮后,起始温度和峰值温度均显著提高(P<0.05),终止温度变化不大,热焓值显著降低(P<0.05)。发酵麸皮粉的合理添加可以有效地改善重组全麦粉的黏弹性。崔晨晓[61]研究发现,与未发酵组小麦麸皮面团相比,添加15%发酵小麦麸皮后,面团最大膨胀高度从15.6 mm增加到16.8 mm,发酵组面团的吸水率下降,但面团形成时间、稳定时间和面团拉伸特性没有显著差异,持气能力显著提升,使得后续面包具有更加松软的口感。
对于肉制品来说,发酵麸皮的添加对产品最终硬度的影响较小,但对其黏性、弹性都有不同程度的提高。麸皮的添加会使肉制品硬度增大,但发酵麸皮猪肉丸的硬度更接近市售肉丸,弹性及黏着性也可被大多数食用者接受。
经过微生物发酵处理后的酸奶有较好的组织状态和黏稠度,符合大众需求[62]。对于酸奶的流变学特性,麸皮的加入会对其造成一定影响,但大部分不影响食用品质[63]。
对于发酵麸皮饼干来说其延展性有所提高,脆度也大大改善[64]。发酵麸皮冰淇淋的质地较普通冰淇淋松软,并且其黏度也有所增加,但对弹性没有明显影响[65]。麦麸膳食纤维咀嚼片具有成形性好和硬度适中的优点。
为提升麸皮以及麸皮制品的营养价值,大量学者将目光聚焦在微生物发酵上。研究表明,发酵后的麸皮蛋白质含量、可溶性膳食纤维、阿拉伯木聚糖、总酚含量均有所增加,使得麸皮制品的营养更加均衡合理。微生物发酵技术除了可以使蛋白质的消化率提高,也可以降低淀粉的消化率和血糖反应,利于人体消化吸收。
经过微生物发酵处理使小麦麸皮的蛋白质含量明显增加,但没有显著改变麸皮的纤维组成。赵云蛟等[66]研究米根霉固态发酵麸皮对小麦粉和面条品质的影响,其中固态发酵使得麦麸中的蛋白质含量增加85.44%,可溶性膳食纤维的含量增加了270.74%。该研究还分析了发酵麸皮面条的体外消化特性,淀粉水解指数为(61.29±3.68)%,预测血糖生成指数为73.63±2.01,均优于普通面条,大大提升了麦麸以及面条的营养价值。
对于发酵麸皮肉制品来说,最重要的是产品不饱和脂肪酸显著增加,同时小麦麸皮的添加可以充分弥补膳食纤维含量少的缺点,从而提升肉制品的营养价值。张诗琪等[67]将小麦麸皮添加到午餐肉中,大大提高了膳食纤维含量。而对于发酵麸皮午餐肉的研究还存在空白。添加麸皮的猪肉丸,大大降低脂肪含量,同时减少饱和脂肪酸含量,使其具有更丰富的营养与层次。
于笑容等[68]将麸皮阿魏酸糖酯加入到乳酸菌饮料中,不仅促进了饮料中双歧杆菌的增殖,同时大大提高了乳酸菌饮料的营养价值。程细菊等[69]采用木聚糖酶酶解阿拉伯木聚糖为低聚木糖制作的小麦麸皮饮料,营养成分以及可溶性矿物质、维生素均保留在麸皮饮料中,使麸皮的营养成分得到了充分利用。酸乳中添加麦麸膳食纤维能显著提高酸乳中钙和必需氨基酸的含量。
对于饼干来说,添加发酵麦麸有助于提高饼干中蛋白质、膳食纤维和矿物质的含量,而且麦麸可以代替脂肪,卡路里含量更低[70]。
小麦麸皮气味主要是由正己酸乙酯等为代表的水果香、以柠檬烯等为代表的柑橘香、以正己醛为代表的青草味和以苯酚为代表的特殊臭味构成[71]。其中烃类物质是小麦麸皮中含量最多的物质。经发酵处理后,烃类物质显著减少,有机酸、酯类、醇类、苯类和酮类显著升高。普通馒头主要挥发性物质为醇类、酯类、醛类和杂环类物质,发酵麦麸的添加使得馒头醇类、酯类、醛类、苯环类和杂环类物质有所增加。综合来看,微生物发酵,可使麸皮中的风味化合物总量和种类增加。经过微生物改性的肉制品,由于微生物和外界环境因素的共同作用,肉中的蛋白质、脂类和碳水化合物被降解,产生醇、醛、酮、酯、羧酸、内酯、吡啶等多种挥发性有机化合物,其中呋喃和某些含有硫和卤素的化合物,使肉制品具有独特的风味,其不同风味物质的种类和含量决定了产品最终的感官特征[72]。发酵饮料中的风味物质主要为一些酯类、醇类、醛类以及呋喃类化合物。其中乙酸乙酯和正丁醇高达4%~6%,二者具有果香和淡花香,使产品具有较好的风味[73]。对于发酵奶片制品来说,发酵使得醇、醛类物质分别增加了5种和7种,其中乙酸乙酯、己酸和2-庚酮等风味物质含量上升较为显著,对其风味有很大提升[74]。
综上所述,通过微生物发酵的各种制品,在风味上都有显著提升,因此,微生物发酵手段被广泛应用于食品领域。
小麦麸皮作为面粉深加工的副产物,越来越受到研究者的关注,研究者致力于将麸皮的剩余价值最大化,研发出营养更丰富、口感近于普通产品、具有芳香气味的产品。麸皮产品涉及理化、营养、质构、感官等方面的变化,营养素和功能成分的保存和生物利用,产品稳定性和货架储存期把控,微生物等卫生方面的严格管控,以及新产品研发等方面的诸多问题。综合当前食品行业生产研发、卫生管理、食品储藏、运输销售等各个环节的局限性,麸皮添加到食品中依然是一项严峻的挑战。如何解决和改善麸皮产品的口感和品质,优化麸皮产品生产加工工艺是此产业发展过程中急需解决的问题。
生物发酵技术作为是一种高效、环保的技术,能够使麸皮的结构达到满意的改变,而被越来越多的企业和研究者所开发。当前,有关微生物发酵改性麸皮在食品行业的应用及其产品品质影响的研究,主要局限于以面包、馒头、面条为代表的主食产品,在产品的热加工环节、储藏运输以及新产品研发领域都还十分薄弱,亟需寻找更大突破。因此,一方面要继续研发以馒头等为基础的主食类新型功能性发酵麸皮产品,同时确保麸皮的添加会对产品品质、感官等方面有显著提升;另一方面需要更加深入地开展以馒头为对象的酶制剂和发酵菌的作用机理及其应用研究,根据特定的应用对象有针对性地创造最佳的反应条件,最大限度的发挥酶制剂和发酵菌的作用,提高产品质量,降低生产成本。
通过更加先进的加工方法和简洁生产工艺,改善麦麸的功能特性,提高其产品营养品质,平衡人体所需营养,不断拓宽麦麸的应用渠道,积极开展相关课题研究。结合膳食推荐的营养与健康需求,加大对麸皮产品的推广,充分考虑小麦麸皮的经济和使用价值,让小麦产业的发展具有更加深远的意义。
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