超声辅助提取冻干番茄粉番茄红素的工艺优化.pdf

第 29 卷 第 18 期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 No.18 284 2013 年 9 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep.2013 超声辅助提取冻干番茄粉番茄红素的工艺优化 朱俊向，吴 昊，杨绍兰，王成荣（青岛农业大学食品科学与工程学院，青岛 266109）摘 要：为了提高番茄原料中番茄红素的提取率，增加番茄深加工的利用价值，该文研究了冻干番茄粉粒度范围、液料比、超声温度、超声比功率和超声处理时间 5 个因素对番茄红素提取率的影响，通过响应面分析优化出超声辅助提取(ultrasound assisted extraction,UAE)冻干番茄粉(74 m)中番茄红素的最佳工艺，并与常规溶剂提取(conventional solvent extraction,CSE)进行了比较。确定的最优工艺条件为：液料比 41:1 mL/g、超声温度 55、超声比功率 18 W/g，超声处理时间 15 min。响应面验证试验番茄红素提取率为 1.820.05 mg/g（超声时间 10 min），与优化模型预测值 1.83 mg/g 基本一致，验证了模型的可靠性。UAE 的番茄红素提取率较 CSE 增加了 6.04%，提取时间节省了 92.47%。该文为番茄红素的高效提取及番茄的综合利用提供了参考。关键词：优化，超声，提取，冻干番茄粉，番茄红素 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.18.034 中图分类号：TS255.36 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-18-0284-08 朱俊向，吴 昊，杨绍兰，等.超声辅助提取冻干番茄粉番茄红素的工艺优化J.农业工程学报，2013，29(18)：284291.Zhu Junxiang,Wu Hao,Yang Shaolan,et al.Technology optimization of ultrasonic-assisted extraction for lycopene from lyophilized tomato powderJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(18):284291.(in Chinese with English abstract)0 引 言 番茄红素是成熟番茄中最主要的呈色色素，在过去只是被当作一种没有生物活性的植物色素1。近年来，越来越多的试验和研究表明，番茄红素具有多种生物活性，作为存在于人类血清和其他组织中主要的类胡萝卜素2，番茄红素是一种优良的天然抗氧化剂，保护细胞内脂质、蛋白质和 DNA 免受自由基氧化损伤3，其抗氧化活性优于其他类胡萝卜素色素4。许多研究已经证实了它在治疗慢性疾病方面的重要地位，尤其是其代谢产物在预防癌症方面所起到的作用更是不可忽视5-6。随着对番茄红素有益健康的认识不断深入，人们开始将番茄红素浓缩品添加到功能食品中，并且也愈加关注绿色高效提取番茄红素的工艺技术。常规溶剂提取（CSE）番茄红素增加了提取溶剂用量和提取时间，而超声辅助提取（UAE）可以有效地改善萃取效率7。Mason 等8综述了超声辅 收稿日期：2013-03-07 修订日期：2013-08-05 基金项目：山东省现代蔬菜产业技术体系（SDSXDSCCYJSTX）作者简介：朱俊向（1989），男，山东潍坊人，主要研究方向：果蔬深加工。青岛 青岛农业大学食品学院，266109。Email: 通信作者：王成荣（1958），男，教授，主要研究方向：果蔬贮藏与深加工。青岛 青岛农业大学食品学院果蔬深加工实验室，266109。Email: 助提取的作用机制，主要是超声空穴效应的强烈机械作用，有效地改善了提取的传质过程，具体表现在 3 个方面：非对称气泡的崩坏扰乱了物料表面溶剂层，促进了提取溶剂的扩散；伴随空化效应出现的定向冲流，导致声致毛细效应(指毛细管内的液体在超声空化场中不寻常的上升现象，低频超声波的声致毛细效应主要由冲流产生9)的发生，声致毛细效应能够促进植物原料毛细管系统中生物活性成分（例如分布在肉桂茎皮韧皮部导管中的挥发油成分10）的释放；空穴气泡破裂产生的巨大能量加剧了物料颗粒之间的碰撞，增加了提取的传质速率。另外，Chemat 等11指出，空穴效应产生的足够能量也充分地破坏了植物原料的细胞壁，加速了植物细胞中有效成分的转移和扩散。作为绿色高效萃取技术的代表，近几年，超声辅助提取已被广泛应用于天然产物的提取。与其他原料预处理方式12相比，冷冻干燥和超微粉碎是 2 种较为理想的处理方式。冷冻干燥更好地保留了原料中番茄红素的活性13，降低了由于预处理过程中的氧气、热处理等不利因素带来的番茄红素降解损失，同时，又升华去除了原料中大量的水分，这样就可以避免超声提取体系中由水分子产生的羟基自由基对番茄红素的破坏14。超微粉碎是一种细胞级粉碎技术15，得到的原料粉体颗粒粒径小、比表面积大16、有利于原料中营养成分的释放第 18 期 朱俊向等：超声辅助提取冻干番茄粉番茄红素的工艺优化 285 和吸收，但将二者结合应用在番茄红素提取方面，目前国内外尚未有文献报道。因此该文通过冷冻干燥结合超微粉碎技术处理红熟番茄得到冻干番茄粉，用标准筛筛选出粒度区间为74 m 的粉体作为提取原料，采用超声辅助提取（UAE）从中提取番茄红素，以期为番茄红素的高效提取及番茄的综合利用提供一定的理论指导和技术支持。1 材料与方法 1.1 材料与试剂 1.1.1 冻干番茄粉的制备 市售红熟番茄清洗、去蒂切块、打浆3 000 r/min离心20 min除水番茄浆冷冻干燥超微粉碎冻干番茄粉真空干燥器避光贮存备用参考宋宏新等17建立的番茄真空冷冻干燥曲线，设定如下干燥工艺条件：番茄浆（物料厚度10 mm）置于20冰箱中预冻 12 h，然后转入冻干机中冷冻干燥 24 h（冷阱温度50，干燥室真空度 0.081 MPa）。参考范明月等18超微粉碎条件，做稍微修改：一次进样量 5 g，粉碎时间 10 s。1.1.2 试剂 乙酸乙酯，二氯甲烷和石油醚均为分析纯。1.2 仪器与设备 JJ-2 组织捣碎机（常州国华有限公司 金坛市）；AR2140 型分析天平（奥豪斯国际贸易有限公司 美国）；TDL-40B 台式离心机（上海安亭科学仪器厂 上海市）；GB/T6003-1997 标准检验筛（上虞市纱筛厂 上虞市）；754 紫外-可见分光光度计（上海光谱仪器有限公司 上海市）。ALPHA1-2 LDPlus 型真空冷冻干燥机，配有LDPlus 控制器，相关冻干参数可设（CHRIST 公司 德国）。FDV 型气流式超细粉碎机，转速 25 000 r/min（北京兴时利和科技发展有限公司 北京市）。SY-1000E 型恒温超声提取机，采用聚能中间探入式超声换能器（探头 15 mm），配有数控超声发生器（频率 20 kHz）和加热制冷配套装置（北京弘祥隆生物技术开发有限公司 北京市）。1.3 试验方法 1.3.1 番茄红素提取率的测定 参考张连富等19建立的简便测定方法，取1 mL待测液，用含 2%二氯甲烷的石油醚稀释一定倍数，于 502 nm 处测定其吸光度，根据下面公式计算番茄红素提取率。公式如下：番茄红素提取率(mg/g)=103078A VNm （1）式中，A为待测液吸光度；V为提取溶液体积，mL；N为稀释倍数，该文中N=50；3078为番茄红素在含2%二氯甲烷石油醚中的百分吸光系数；m为冻干番茄粉的质量，g 1.3.2 超微粉碎粒度区间的选择 在超声萃取杯中，5份粒度区间分别为180、98、74、63和180、98180、7498、6374、5063和50 m的番茄粉，称量并计算每个粒度区间番茄粉的质量分数，计算粒度分布。在超声萃取杯中，6份番茄粉按液料比40:1 mL/g，在超声比功率16 W/g，40条件下以处理2 s，间歇1 s的方式超声提取10 min，得到的提取液冷却到室温后抽滤得到待测液，按照1.3.1测定并计算各次番茄红素提取率，每组重复3次。1.3.3 超声辅助法提取番茄红素工艺条件的优化 1）单因素试验 液料比对番茄红素提取率的影响：在超声萃取杯中，5份冻干番茄粉(74 m)按液料比30:1、35:1、40:1、45:1和50:1 mL/g，在超声比功率8 W/g，40条件下以处理2 s，间歇1 s的方式超声提取10 min，得到的提取液冷却到室温后抽滤得到待测液，按照1.3.1测定并计算各次番茄红素提取率，每组重复3次。超声温度对番茄红素提取率的影响：在超声萃取杯中，5份冻干番茄粉(74 m)按液料比25:1 mL/g，在超声比功率5 W/g，温度分别为40、45、50、55和60条件下以处理2 s，间歇1 s的方式超声提取10 min，得到的提取液冷却到室温后抽滤得到待测液，按照1.3.1测定并计算各次番茄红素提取率，每组重复3次。超声比功率对番茄红素提取率的影响：在超声萃取杯中，5份冻干番茄粉(74 m)按液料比25:1 mL/g，在超声比功率分别为5、10、15、20和25 W/g，温度40条件下以处理2 s，间歇1 s的方式超声提取10 min，得到的提取液冷却到室温后抽滤得到待测液，按照1.3.1测定并计算各次番茄红素提取率，每组重复3次。2）多因素综合模拟试验 在单因素试验的基础上，应用Box-Benhnken农业工程学报 2013 年 286 试验设计，以冻干番茄粉(74 m)为原料，液料比、超声温度和超声比功率为自变量，番茄红素提取率为响应值设计三因素三水平响应面试验，试验设计因素水平表见表1。试验结果拟合为二次回归模型，方程如下：3233211110iiijijiiiiij iiY X X X X=+=+（2）式中，Y表示预测响应值，Xi,Xj表示影响响应值Y的自变量，0表示常数项，i表示一次项系数，ij表示二次交互项系数，ii表示二次方项系数。拟合模型的质量用确定系数(R2)、失拟项(lack of fit)、变异系数(C.V.%)、调整确定系数(Adj-R2)和预测确定系数(Pred-R2)等来评价。模型的统计分析用方差分析来表示，统计意义用F值和p值来检验20。表 1 Box-Benhnken 试验因素水平表 Table 1 Factors and levels in BBD 水平 Levels 自变量 Independent variables-1 0 1 X1 液料比 Liquid-to-material ratio/(mLg-1)35:1 40:1 45:1 X2 超声温度 Ultrasonic temperature/45 50 55 X3 超声比功率 Ultrasonic specific power/(Wg-1)15 20 25 3）超声辅助提取最优参数的验证试验 利用Design-Expert 8.0.5.0可以模拟番茄红素提取的最优参数组合。为进一步检验该响应面模型的可靠性，需进行验证试验。由于实际条件无法按照模拟的最优组合进行，故稍加修改，以74 m冻干番茄粉为原料，在修改后的优化条件下进行提取试验，以处理2 s，间歇1 s的方式超声提取10 min，得到的提取液冷却到室温后抽滤得到待测液，按照1.3.1测定并计算各次番茄红素提取率，重复3次。4）超声提取时间的选择 在优化的提取条件下，7份冻干番茄粉(74 m)以处理2 s，间歇1 s的方式分别超声提取5、10、15、20、25、30和35 min，得到的提取液冷却到室温后抽滤得到待测液，按照1.3.1测定并计算各次番茄红素提取率，每组重复3次。2 结果与分析 2.1 超微粉碎粒度区间的选择 5个大粒度区间冻干番茄粉的超声提取效果比较如图1a所示，粉体总体粒度越小，提取率越大，98和74 m 2个相邻粒度区间之间差异较明显（p值最小），番茄红素提取率有明显增大的趋势，其余相邻的粒度区间较98和74 m并没有引起番茄红素提取率的明显变化。图1a现象出现的原因可能是粉体的粒度分布和颗粒大小两个因素的综合影响结果，因此笔者进一步研究了小粒度区间冻干番茄粉的粒度分布及对番茄红素提取率的影响，如图1b所示，粉体粒度越小，番茄红素提取率越大，除5063和50 m 2个相邻的粒度区间，不同小粒度区间冻干番茄粉的番茄红素提取率差异显著。番茄粉体主要集中在6374和5063 m的2个区间内，质量分数分别为30.63%和24.93%，共占到50%以上。图1a中，180和98 m 2个粒度区间的番茄红素提取率变化受粉体颗粒大小影响更为显著，而74、63、50 m 3个粒度区间的提取率变化则受番茄粉的粒度分布的影响更为明显。综上所述，选择粒度区间为74 m的番茄粉作为下一步的提取原料。a.大粒度区间对番茄红素提取率的影响 a.Effect of large particle size interval on extraction yield of lycopene b.小粒度区间的粒度分布及对番茄红素提取率的影响 b.Effect of small particle size interval on extraction yield of lycopene 注：相同字母表示在 P0.05 水平上不显著，下同。Note:values marked by the same letter are not significantly different(p0.05),the same as bellow.图 1 不同粒度区间对番茄红素提取率的影响 Fig.1 Effect of different particle size interval on extraction yield of lycopene 2.2 超声辅助提取番茄红素工艺条件的优化 2.2.1 单因素试验结果与分析 如图2所示，随着液料比的增大，番茄红素提第 18 期 朱俊向等：超声辅助提取冻干番茄粉番茄红素的工艺优化 287 取率先减小后增大再减小，呈波动变化，液料比为40:1 mL/g时，番茄红素提取率最大。从公式（1）可以看出，(A/3078)和(V/m)是影响番茄红素提取率的两个因子，提取率出现波动变化的原因可能是，若乙酸乙酯不足，传质受萃取溶剂添加量影响，导致提取液的番茄红素浓度偏高，测得提取率偏大，实际提取不完全；继续添加乙酸乙酯，液料比成为影响提取率的主要因素，随着液料比的不断增大，番茄红素提取率也不断增大；传质趋于平衡后，乙酸乙酯添加引起的溶剂稀释效应影响明显，测得提取液吸光度偏小，番茄红素提取率减小，实际番茄红素已提取完全。图 2 液料比对番茄红素提取率的影响 Fig.2 Effect of liquid-to-material ratio on extraction yield of lycopene 如图3所示，随着超声温度的升高，番茄红素提取率不断增大，当温度超过50时，提取率增加不明显。这可能是因为在提取的初期阶段，超声温度越高，传质速率越快，番茄红素浸出速度就越快，提取就越充分，适宜的温度能够提高番茄红素的提取率和生物利用率，但超声温度不宜太高，因为剧烈的热处理往往会引起番茄红素的降解和异构化21。图 3 超声温度对番茄红素提取率的影响 Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on extraction yield of lycopene 如图4所示，随着超声比功率的不断升高，番茄红素提取率呈现先增大后减小趋势，当超声比功率为20 W/g时，番茄红素提取率最高。空穴效应和热效应是UAE中超声波产生的2种主要作用，超声强度较小时热效应可以忽略不计，此时超声比功率越高，能量越大，产生的空化气泡越大，细胞壁就被破坏地越完全，番茄红素提取率增大；随着超声声强的增加，产生的大量无用气泡，增加了声波散射衰减，空化效应削弱，热效应此时起主要作用，这就可能造成番茄红素的氧化降解和异构化，导致番茄红素提取率的降低22。图 4 超声比功率对番茄红素提取率的影响 Fig.4 Effect of ultrasonic specific power on extraction yield of lycopene 2.2.2 响应面试验结果及分析 为研究各工艺参数之间的交互作用对番茄红素提取率的影响，按照表2的试验顺序进行试验，根据试验结果，将所得的数据用Design-Expert 8.0.5.0软件分析，以液料比X1、超声温度X2和超声比功率X3为自变量，以番茄红素提取率Y为因变量建立超声辅助提取番茄红素工艺的二次回归方程，方程为：Y=20.49205+0.54419X1+0.30572X2+0.018432X3+0.00212000X1X2+0.000159375X1X3 0.000138125X2X30.00865400X12 0.00317400X220.0000293906X32 （3）表 2 Box-Benhnken 试验设计及结果 Table 2 BBD and corresponding results for response surface 试验序号Test no.液料比 X1Liquid-to-material ratio超声温度 X2 Ultrasonic temperature 超声比功率 X3 Ultrasonic specific power 番茄红素提取率 YExtraction yield of lycopene/(mgg-1)1-1-1 0 1.309 2 1-1 0 1.285 3-1 1 0 1.496 4 1 1 0 1.684 5-1 0-1 1.402 6 1 0-1 1.370 7-1 0 1 1.172 8 1 0 1 1.395 农业工程学报 2013 年 288 续表 试验序号Test no.液料比 X1 Liquid-to-material ratio 超声温度 X2Ultrasonic temperature 超声比功率 X3 Ultrasonic specific power 番茄红素提取率 YExtraction yield of lycopene/(mgg-1)9 0-1-1 1.368 10 0 1-1 1.764 11 0-1 1 1.290 12 0 1 1 1.465 13 0 0 0 1.769 14 0 0 0 1.722 15 0 0 0 1.758 16 0 0 0 1.741 17 0 0 0 1.706 表3为方差分析结果，确定系数R2=0.9905说明模型与实际拟合较好，3个自变量(液料比、超声温度和超声比功率)与响应值(番茄红素提取率)之间线性关系显著。各一次项和二次项均达到显著水平(p0.05)，其中超声温度，液料比平方项和超声比功率平方项均达到极显著水平(p0.0001)。调整确定系数与预测确定系数之差(Adj-R2Pre-R2)0.2，说明模型的试验值与预测值相关性较高，模型准确23，变异系数(C.V.)5%说明模型的重现性较好24。综合来看，该回归模型是合理的，可以用该方程对不同提取条件下的番茄红素提取率进行预测。表 3 BBD 方差分析结果 Table 3 BBD variance analysis results 方差来源 Source 平方和 Sum of Squares 自由度 df 均方 Mean Square F 值 F value p 值 p-value 模型 Model 0.67 9 0.075 81.17 0.0001 X1 0.016 1 0.016 17.07 0.0044 X2 0.17 1 0.17 181.32 0.0001 X3 0.042 1 0.042 45.88 0.0003 X1X2 0.011 1 0.011 12.18 0.0101 X1X3 0.016 1 0.016 17.61 0.0041 X2X3 0.012 1 0.012 13.23 0.0083 X12 0.20 1 0.20 213.56 0.0001 X22 0.027 1 0.027 28.73 0.0011 X32 0.15 1 0.15 161.43 0.0001 残差 Residual 0.006460 7 0.0009229 失拟项 Lack of fit 0.003817 3 0.001272 1.93 0.2670 净误差 Pure error 0.002643 4 0.0006607 校正项 Cor total 0.68 16 R2 0.9905 Adj-R2 0.9783 Pred-R2 0.9042 变异系数/%C.V./%2.01 当液料比、超声温度和超声比功率3个因素中任意一因素固定时，其余2个因素的交互作用可由响应面三维立体图直观地反映出来25-28，从而可以确定最佳工艺的参数范围，根据拟合模型绘制番茄红素提取率三维响应面图见图5。比较响应面三维图可知，在所选范围内存在极值，即响应面最高点。如图5a-5c所示，响应面等高线相对较为密集，坡度较为陡峭，表明响应值（番茄红素提取率）对两两因素交互作用的改变较为敏感；超声温度是影响番茄红素提取的主要因素，较高的温度(50)可以获得较大的提取率；随着液料比和超声比功率的增大，番茄红素提取率均呈现先增大后减小的趋势。如图5a所示，在液料比的变化范围处于39.75:142.48:1 mL/g，超声温度的变化范围处于52.6855时，番茄红素提取率均在1.80 mg/g以上。如图5b所示，在液料比的变化范围处于38.01:142.75:1 mL/g，超声比功率的变化范围处 a.液料比 X1与超声温度 X2(固定水平：超声比功率 X3 20 Wg-1)a.Liquid-to-material ratio X1 and ultrasonic temperature X2(stationary level:ultrasonic specific power X3 20 Wg-1)第 18 期 朱俊向等：超声辅助提取冻干番茄粉番茄红素的工艺优化 289 b.液料比 X1与超声比功率 X3(固定水平：超声温度 X2 50)b.Liquid-to-material ratio X1 and ultrasonic specific power X3(stationary level:ultrasonic temperature X2 50)c.超声温度 X2与超声比功率 X3(固定水平：液料比 X1 40:1 mLg-1)c.Ultrasonic temperature X2 and ultrasonic specific power X3(stationary level:Liquid-to-material ratio X1 40:1 mLg-1)图 5 各两因素交互作用对番茄红素提取率影响的曲面图 Fig.5 Response surface showing effects of four variables on extraction yield of lycopene 于264.87346.25 W/g时，番茄红素提取率较高，均在1.70 mg/g以上。如图5c所示，在超声温度的变化范围处于52.2055、超声比功率的变化范围处于261.69323.13 W/g时，番茄红素提取率均可达到1.80 mg/g，综上所述，所选范围液料比38.0142.75 mL/g，超 声 温 度52.2055，超 声 比 功 率261.69346.25 W/g，存在有番茄红素提取率最大值。2.2.3 响应面模型的验证 利用Design-Expert 8.0.5.0得到番茄红素提取工艺的最优组合为液料比40.90:1 mL/g，超声温度55，超声比功率18.45 W/g，最高番茄红素提取率预测值为1.83 mg/g。验证试验需根据实际试验条件 对 模 拟 的 优 化 条 件 做 稍 加 修 改：液 料 比41:1 mL/g，超声温度55，超声比功率18 W/g，番茄红素提取率实际值为1.82 0.05 mg/g，相对误差0.55%，预测值和真实值之间有很好的拟合性，因此，采用响应面分析法优化得到的提取条件参数准确可靠，具有实用参考价值。2.2.4 超声处理时间的确定 如图6所示，在修改的优化条件下研究超声处理时间对番茄红素提取率的影响。结果表明，随着超声时间的延长，番茄红素提取率呈现先增大后减小的趋势，超声处理15 min，提取率最大。原因可能是长时间的超声处理，会使产生的大量能量通过热效应消散，导致传质效率降低，番茄红素提取率减小，Konwarh等29也同样提出延长超声处理时间会对番茄红素的提取效果产生负面影响。因此，选取15 min作为最佳超声处理时间。图 6 超声时间对番茄红素提取率的影响 Fig.6 Effect of ultrasonic time on extraction yield of lycopene 2.3 优化工艺与传统工艺的比较 常规溶剂提取（CSE）冻干番茄粉（74 m）中番茄红素的优化工艺已在本实验室研究得到30。同一批次原料粉的提取结果如表4所示，在显著性水平p0.05前提下，2种工艺的番茄红素提取率值差异不显著，UAE法的番茄红素提取率较CSE增加了6.04%，但超声辅助提取(UAE)的处理时间为15 min，较CSE法的提取时间199.29 min（一次提取时间66.43 min，提取次数为3次）节省了92.47%。表 4 不同提取工艺对番茄红素提取率的影响 Table 4 Effect of different processes on extraction yield of lycopene 超声辅助提取(UAE)常规溶剂提取30(CSE)液料比Liquid-to-material ratio/(mLg-1)超声温度Ultrasonic temperature/超声比功率Ultrasonic specific power/(Wg-1)超声时间Ultrasonic time/min液料比Liquid-to-material ratio/(mLg-1)提取温度 Extraction temperature/提取时Extraction time/min 提取次数 Extraction times 41:1 55 18 15 12.75:1 50.2 66.43 3 番茄红素提取率Extraction yield of lycopene/(mgg-1)1.82 0.05 a 1.71 0.08 a 注：相同字母表示在 p0.05 水平上不显著.农业工程学报 2013 年 290 3 结 论 1）本研究利用响应面设计优化了超声辅助提取冻干番茄粉中番茄红素的工艺条件，建立了番茄红素高效提取的数学模型，得到了较合适的工艺条件为液料比41:1 mL/g、超声温度55、超声比功率18 W/g，超声处理时间15 min。验证试验番茄红素提取率为1.820.05 mg/g(超声处理时间10 min)，与模型预测值1.83 mg/g基本一致，模型的可靠性得以验证。2）本文优化的UAE工艺的番茄红素提取率较CSE工艺增加了6.04%，提取时间节省了92.47%。前者较后者具有更广阔的工业化应用前景。参 考 文 献 1 Peto R,Doll R,Buckley J D,et a1.Can dietary beta-carotene materially reduce human cancer rates?J.Nature,1981,290(5803):201208.2 Srivastava S,Srivastava A K.Lycopene;chemistry,biosynthesis,metabolism and degradation under 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