蛋壳制备氨基酸螯合钙.doc

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第十一届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛

作品申报书

作品名称： 蛋壳制备氨基酸螯合钙

学校全称： 华南农业大学

申报者姓名： 蔡巽楷

类别：
■自然科学类学术论文
□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文
□科技发明制作A类
□科技发明制作B类

说 明

1．申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。
2．申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表。所有申报者可根据情况填写C表。
3．表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。
4．序号、编码由第十一届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛组委会填写。
5．学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号楷体打印在A4纸上（文章版面尺寸14.5×22cm），附于申报书后，论文不超8000字，调查报告不超15000字。
6．作品申报书须按要求由各校竞赛组织协调机构统一寄送。
7．其他参赛事宜请向本校竞赛组织协调机构咨询。

A1．申报者情况（个人项目）
说明：1．必须由申报者本人按要求填写，申报者情况栏内必须填写个人作品的第一作者（承担申报作品60%以上的工作者）；2．本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确认。

姓 名
蔡巽楷
性别
男
出生年月
1990-1-17
申报者情况
学校全称
华南农业大学
专 业
食品质量与安全
现学历
本科
年级
08
学制
4年
入学时间
2008-9-1
作品全称
蛋壳制备氨基酸螯合钙
毕业论文题目
无
通讯地址
广东省广州市华南农业大学
启林南37-306
邮政编码
510642
单位电话
15017501947
常住地通讯地址
广东省广州市华南农业大学
启林南37-306
邮政编码
510642
住宅电话
15017501947
合作者情况
姓 名
性别
年龄
学历
所在单位
颜能恩
女
23
本科
华南农业大学食品学院
柯芝茂
男
23
本科
华南农业大学食品学院
资 格 认定
学校学籍管理
部门意见
是否为2011年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的各类高等院校中国学生（含专科生、本科生和研究生）。
□是 □否
若是，其学号为：200830610401（部门盖章）
年 月 日
院系负责人或导师意见
本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果。
□是 □否 负责人签名：
年 月 日

B1．申报作品情况（自然科学类学术论文）
说明：
1．必须由申报者本人填写；2．本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认；3．作品分类请按作品的学术方向或所涉及的主要学科领域填写；4．硕士研究生、博士研究生作品不在此列。

作品全称
蛋壳制备氨基酸螯合钙
作
品
分
类
（D ）A．机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控
制、工程、交通、建筑等）
B．信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）
C．数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）
D．生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健
康、卫生、食品等）
E．能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化
工、生态、环保等）
作品撰写的目的和基本思路
食品工业大多将蛋壳直接丢弃，这些废弃蛋壳很快滋生细菌，发出恶臭，对环境造成污染。如果将蛋壳作为钙强化剂进行利用，可避免资源的浪费，同时减少废弃蛋壳对环境的污染。
若将蛋壳直接粉碎作为钙强化剂，因蛋壳中钙以碳酸钙形式存在，机体内各元素间的拮抗作用将降低钙的吸收，不能很好满足机体营养需求。
氨基酸螯合钙可减少机体内各元素间的竞争性拮抗作用，机体吸收率高、无刺激，起到补充钙元素和氨基酸的双重作用。
对各种氨基酸的等电点和成本进行综合考虑，采用等电点为5.97、价位较经济的甘氨酸与蛋壳酸解液中溶出的钙螯合，经提取可得氨基酸螯合钙。
通过两个正交实验，优化酸水解蛋壳制备可溶性钙的工艺条件和确定氨基酸螯合钙的最佳螯合条件，并通过多次平行实验，验证实验结论。
作品的科学性、先进性及独特之处
将蛋壳进行深度加工，可减少废弃蛋壳的环境污染。
通过螯合反应，使氨基酸和钙稳定地结合在一起，反应机理明了、可靠。
进行螯合反应所需条件温和，能耗少。
螯合物是多齿配体通过两个或两个以上的配位原子与同一中心离子形成的具有环状结构的配合物，获得的产品具有良好的理化稳定性，便于提取，保藏和机体吸收。
严格按照国家标准GB/T 5009.92-2003 食品中钙的测定——EDTA滴定法测定蛋壳酸解液中游离态钙含量，间接计算出氨基酸螯合钙螯合率，从而避免直接测定氨基酸螯合钙含量，因此采用实验方法所需仪器少，精度高，操作简便，比同类检测方法更具有创新性。
通过两个正交实验，优化酸水解蛋壳制备可溶性钙的工艺条件和确定氨基酸螯合钙的最佳螯合条件，并通过多次平行实验论证，实验结论真实、准确、可靠。
作品的实际应用价值和现实意义
以蛋壳为原料制备氨基酸螯合钙补钙制剂，为氨基酸螯合钙补钙制剂的研制和禽蛋下脚料的综合利用开拓一条新的途径，同时为开发以钙为营养素的产品提供可靠的理论依据。

学
术
论
文
文
摘
随着我国禽蛋业的快速发展，其不可食用部分蛋壳大量产生。它是一种以碳酸钙形式存在的高度结合生物钙，不易被动物机体消化吸收。本文以禽蛋加工下脚料蛋壳为原料，通过酸水解制备可溶性钙，调节pH后与甘氨酸螯合制备氨基酸螯合钙。其具有良好的化学和生化稳定性，生物学效价高等特点，能达到既补充氨基酸又补充钙的双重功效。结果表明，蛋壳粉酸水解最佳工艺条件为：1.0g蛋壳粉加入10mL 2moL/L的盐酸，在50℃下酸水解15min。此条件下，可溶性钙得率为387.0mg/g；氨基酸螯合钙的最佳工艺条件是：可溶性钙和甘氨酸质量比为1：6，在pH为4.8， 60℃下螯合反应1.5h。此条件下，可溶性钙的螯合率高达89.32%。因此，以蛋壳为原料，经酸水解溶出可溶性钙再与甘氨酸螯合制备氨基酸螯合钙补钙制剂，为禽蛋加工废弃物的综合利用提供新途径。
作品在何时、何地、何种机构举行的会议上或报刊上发表及所获奖励
发表论文：将在2011年中国核心期刊《食品工业科技》第4期发表；
申请专利：一种有机钙螯合物及其制备方法 专利号： 200910194214；
于2011年3月荣获华南农业大学“丁颖杯”大学生课外学术科技作品，自然科学类学术论文一等奖。
鉴定结果

请提供对于理解、审查、评价所申报作品具有参考价值的现有技术及技术文献的检索目录
朱龙观主编.高等配位化学[M].北京:中国轻工业出版社，上海市：华东理工大学出版社，2009.05 ，98
刘志皋主编.食品营养学[M].北京:中国轻工业出版社，2001，320
Hincke M T，Gautron J，Panheleux M，et a1．Identification and localization of Iysozyme as a component of eggshell membranes and eggshell matrix[J]．Matrix Bio1．，2000，19：443-453
Oautron J，Bain M，Solomon S，et a1．Soluble matrix of hen's eggshell extracts changes in vitro the rate of calcium carbonate precipitation and crystal morphology[J]．British Poultry Science，1996，37：853-866
Joseph H，Mac N．Method and apparatus for separating a protein membrane and shell material in waste egg shells：US，7007806[P]．2002-11-20
申报材料清单（申报论文一篇，相关资料名称及数量）
自然科学类学术论文:《蛋壳制备氨基酸螯合钙》一篇;
《食品工业科技》论文录用证明一份.
科研管理
部门签章

年 月 日

C.当前国内外同类课题研究水平概述

说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写；
2.填写此栏有助于评审。

在此前的相关报道中，有人将禽蛋壳通过清洗、干燥、粉碎、煅烧、酸解、洗酸、除杂、干燥、微细后取得成品，用于果汁饮料，酿造食醋的两种钙营养强化剂；
也有人将禽蛋壳用醋酸提取钙，用氢氧化钙水解蛋膜，制备出钙添加剂，用于多种食品的添加剂；
还有人以禽蛋壳为原料制备生物蛋白钙的方法，采取蛋壳中内膜部分剥离的新工艺，采取低温干燥、负压脱水、气流粉碎处理方案，生产出生物蛋白钙；
目前未见利用蛋壳生产氨基酸螯合钙的相关报道。

D.推荐者情况及对作品的说明
说明：1．由推荐者本人填写；2．推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组 集体推荐亦可）；3．推荐者填写此部分，即视为同意推荐；4．推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。

推荐者情况
姓 名
杜冰
性别
男
年龄
38
职称
副教授
工作单位
华南农业大学食品学院
通讯地址
华南农业大学食品学院
邮政编码
510642
单位电话
13929522370
住宅电话

推荐者所在
单位签章

（签章） 年 月 日
请对申报者申报情况
的真实性作出阐述
该论文工作主要由蔡巽楷同学独立完成，实验方法可行，实验数据真实可靠。
请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价
蛋壳作为一废弃资源，对其开发具有较好应用前景，该论文技术水平处于国内领先，具有良好的推广前景，作为一种生物来源的钙，产业化开发推向市场，必将得到市场的青睐。
其它说明
无

推荐者情况
姓 名

性别

年龄

职称

工作单位
华南农业大学食品学院
通讯地址
华南农业大学食品学院
邮政编码
510642
单位电话

住宅电话

推荐者所在
单位签章

（签章） 年 月 日
请对申报者申报情况
的真实性作出阐述

请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价

其它说明

学校组织协调机构确认并盖章

（团委代章） 年 月 日
校主管领导或校主管部门确认盖章

年 月 日

19

E．大赛组织委员会秘书处资格和形式审查意见

组委会秘书处资格审查意见

审查人（签名）
年 月 日
组委会秘书处形式审查意见

审查人（签名）
年 月 日
组委会秘书处审查结果

□合格 □不合格
负责人（签名）
年 月 日

F．参赛作品打印处

蛋壳制备氨基酸螯合钙
蔡巽楷 颜能恩 柯芝茂
（华南农业大学食品学院）

摘 要：随着我国禽蛋业的快速发展，其不可食用部分蛋壳大量产生。它是一种以碳酸钙形式存在的高度结合生物钙，不易被动物机体消化吸收。本文以禽蛋加工下脚料蛋壳为原料，通过酸水解制备可溶性钙，调节pH后与甘氨酸螯合制备氨基酸螯合钙。其具有良好的化学和生化稳定性，生物学效价高等特点，能达到既补充氨基酸又补充钙的双重功效。结果表明，蛋壳粉酸水解最佳工艺条件为：1.0g蛋壳粉加入10mL 2moL/L的盐酸，在50℃下酸水解15min。此条件下，可溶性钙得率为387.0mg/g；氨基酸螯合钙的最佳工艺条件是：可溶性钙和甘氨酸质量比为1：6，在pH为4.8， 60℃下螯合反应1.5h。此条件下，可溶性钙的螯合率高达89.32%。因此，以蛋壳为原料，经酸水解溶出可溶性钙再与甘氨酸螯合制备氨基酸螯合钙补钙制剂，为禽蛋加工废弃物的综合利用提供新途径。
关键词：蛋壳粉；甘氨酸；氨基酸螯合钙；螯合反应；

钙是我们生命必不可少的元素，是构成骨骼、牙齿的主要成分，在血液凝结、某些酶的活化、维持神经的传导性能、肌肉的伸缩性、毛细血管的下沉渗透压、体内的酸碱平衡等方面起着重要的作用[1]。它对维持人体的循环、呼吸、神经、消化、内分泌、肌肉、骨骼、泌尿及免疫等系统的正常生理功能具有重要意义[2]。青少年骨胳发育不良，老年人的骨质疏松、骨质增生大都是缺钙引起，结肠癌、高血压、糖尿病、衰老也与缺钙有关[3]。
氨基酸螯合钙，是1个或多个氨基酸基团与金属钙发生配合反应形成的具有环状结构的化合物。其具有良好的化学和生化稳定性，生物学效价高等特点，能达到既补充氨基酸又补充钙的双重功效[4]。氨基酸鳌合钙易于被人体吸收，副作用小，生物利用率高，并且在补充钙元素的同时又可补充人体必需的氨基酸，是一种较理想的钙营养强化剂[5]。
禽蛋是人类优质动物性食品，随着禽蛋生产与消费的日益增加，其不可食用部分——蛋壳大量产生[6]。蛋壳是一种完全高度结合的生物钙，由无机物和有机蛋白质组合而成，其平均含量为93%的碳酸钙、1%的碳酸镁、3.2%的磷酸钙和磷酸镁无机物以及2.89%的有机物 [7，8]。2006年，Joseph H等发明了一种利用摩擦力将蛋壳膜从蛋壳上分离的设备，该设备将蛋壳膜从蛋壳上摩擦掉后将蛋壳和蛋壳膜分别回收[9]。基于蛋壳资源数量巨大，永不衰竭，综合利用深度加工就显得特别必要。现代蛋制品加工业的发展将在很大程度上改变蛋壳来源分散、不易收集、污染严重的现状。本实验以蛋壳粉等为原料，通过正交实验优化酸水解制备可溶性钙的工艺条件和氨基酸螯合钙的最佳螯合条件。旨在为氨基酸螯合钙补钙制剂的研制和禽蛋下脚料的综合利用开拓一条新的途径，为开发以钙为营养素的产品提供理论依据。

1 材料与仪器
1.1 材料
废弃蛋壳；盐酸 上海申翔试剂有限公司；氢氧化钠 天津市大茂化学试剂厂；氨水 天津市富宇精细化工有限公司；无水乙醇 天津市瑞金特化学品有限公司；乙二胺四乙酸 天津市大茂化学试剂厂；乳酸 天津市永大化学试剂有限公司；乙酸 天津市富宇精细化工有限公司；钙-羧酸指示剂 上海灵锦精细化工有限公司。
1.2 仪器
高速中药粉碎机：瑞安市环球药械厂；DGG－9070B电热恒温鼓风干燥箱，上海森信实验仪器有限公司；TDL-5-A离心机，上海安亭科学仪器厂；100目国家标准检验筛：浙江上虞市道墟五四仪器纱筛厂；电子天平YP6000 上海第二天平仪器厂；pH S-25酸度计，上海雷磁仪器厂；HH-4数显恒温水浴锅，金坛市富华仪器有限公司；SHZ-88台式水浴恒温振荡器，江苏太仓市实验设备厂。
1.3 方法
1.3.1 蛋壳粉酸解制备可溶性钙
（1）蛋壳粉酸解提取可溶性钙工艺流程
废弃蛋壳→清洗→60℃下烘干→粉碎→过100目筛→蛋壳粉→酸解→过滤→测定可溶性钙含量→制得蛋壳酸解液
（2）蛋壳粉水解酸种类的选择
称取1g筛选过的样品，分别加入到 2ml 6mol/L的盐酸、乳酸、乙酸中，加入 8mL的蒸馏水，在温度 100℃的条件下水解30min，测各酸水解液中可溶性钙含量。
（3）蛋壳粉酸水解工艺优化
称取1.0g蛋壳粉，以可溶性钙得率为指标，选取不同盐酸体积、不同盐酸浓度、水解时间和水解温度四因素，进行 L9（34）正交试验，其试验因素水平见表1。
表1 酸水解正交因素水平表
因素
水平
A
盐酸体积/mL
B
盐酸浓度/mol/L
C
水解时间/min
D
水解温度/℃
1
4
1.0
5
30
2
7
1.5
10
40
3
10
2.0
15
50

1.3.2 氨基酸螯合钙的制备工艺优化
（1）蛋壳粉酸解液与甘氨酸螯合工艺流程
酸水解液→ 调节 pH→加入甘氨酸→一定比例混合 →搅拌 →螯合 →加无水乙醇沉淀→离心→沉淀物→干燥→氨基酸螯合钙
（2）氨基酸螯合钙制备工艺条件选择
调节蛋壳粉水解液pH值后，加入不同比例甘氨酸，在不同温度下螯合反应一定时间后，用无水乙醇沉淀螯合物，离心后测定上清液中游离钙含量并计算螯合率。
（3）正交实验
在单因素实验的基础上，以螯合率为指标，选取甘氨酸与游离钙摩尔比、pH 值、反应温度、反应时间四因素，进行 L9（34）正交试验，其试验因素水平见表2。
表2 螯合反应因素水平表
因素水平
A 摩尔比
B pH值
C 螯合时间/h
D 螯合温度/℃
1
1:4
4.4
1
50
2
1:5
4.6
1.5
60
3
1:6
4.8
2
70

1.3.3 测定方法
（1）游离态钙含量的测定: 采用GB/T 5009.92-2003 食品中钙的测定——EDTA滴定法。
（2）氨基酸螯合钙螯合率的计算：

W1—反应体系中钙的含量（mg）；W2—反应后体系中钙的含量（mg）
2 结果与分析
2.1 蛋壳粉酸水解工艺实验结果
2.1.1 水解酸种类的选择
取1g蛋壳粉，分别加入2ml 6mol/L的盐酸、醋酸、乳酸和柠檬酸，在加入8ml蒸馏水酸解30min，测定酸水解液中可溶性钙得率，结果如图1。

图1 不同酸对可溶性钙得率的影响

从图1可以看出，盐酸对蛋壳粉中钙离子的溶出效果较好，其次为盐酸和乳酸，柠檬酸的效果最差。四种酸和蛋壳粉接触时，均发生剧烈反应，产生大量白色气泡。无机酸对蛋壳中钙离子的溶出效率较高，而有机酸易于钙离子形成有机酸钙，不利于可溶性钙的制备。因此，选取盐酸作为蛋壳酸水解制备可溶性钙的酸。
2.1.2 蛋壳粉酸水解正交试验结果
采用L9(34)正交表，以盐酸体积、盐酸浓度、水解时间和水解温度为因素设计正交试验，确定酸水解的最佳工艺条件，正交试验结果见表3。

表 3 蛋壳粉酸水解制备可溶性钙正交实验结果
样品号
A
盐酸体积/mL
B
盐酸浓度/mol/L
C
水解时间/min
D
水解温度/℃
可溶性钙得率
mg/g
1
1（4）
1（1）
1（5）
1（30）
92.60
2
1
2（1.5）
2（10）
2（40）
133.50
3
1
3（2）
3（15）
3（50）
274.50
4
2（7）
1
2
3
153.80
5
2
2
3
1
230.80
6
2
3
1
2
289.20
7
3（10）
1
3
2
221.50
8
3
2
1
3
303.70
9
3
3
2
1
313.70
K1
0.167
0.156
0.228
0.212

K2
0.225
0.223
0.200
0.215

K3
0.280
0.292
0.242
0.244

极差
0.113
0.136
0.042
0.032

由表3极差分析可知，盐酸体积和盐酸浓度对钙的溶出效果影响存在着极显著差异，而酸解时间和酸解温度对钙的溶出效果影响不显著。因素主次因素顺序为：B>A>C>D，因素水平最佳组合为B3A3C3D3。因此，蛋壳粉酸水解制备可溶性钙的最佳工艺条件为：1g蛋壳粉加入10mL 2moL/L的盐酸，在50℃下酸水解15min。此条件下，可溶性钙得率为387.0mg/g。
2.2 钙与甘氨酸螯合工艺条件的选择
2.2.1摩尔比对螯合反应的影响
选取不同钙含量与甘氨酸摩尔比，于 pH 值5.0，60℃下螯合反应 60min。用无水乙醇沉淀氨基酸螯合钙后，测定反应体系中游离钙含量并计算钙离子螯合率，结果如图2。

图2质量比对螯合反应的影响

由图2可知：随着甘氨酸用量不断增加，螯合后游离钙逐渐减少，螯合率逐渐增大。当钙离子和甘氨酸质量比值为 1∶6时，钙离子利用最充分，螯合率最高。若继续增加甘氨酸用量，则难以完全溶解，故不能继续增加甘氨酸用量。
2.2.2 pH 值对螯合反应的影响
按钙含量与甘氨酸摩尔比为1：3，分别在不同pH 条件下，在60℃螯合反应 60min。用乙醇沉淀氨基酸螯合钙后，测定反应体系中游离钙含量并计算钙离子螯合率，结果如图3。

图3 pH对螯合反应的影响

由图3可知：随着pH值的增大，钙离子的螯合率呈先增大后减小；当pH为4.6时，钙离子的螯合率达到最大值。若继续增大pH值，螯合环境引起副反应，钙离子螯合率降低，所以最适pH为4.6。
2.2.3螯合时间对螯合反应的影响
按钙含量与甘氨酸摩尔比为1：3，于 pH 值5.0下，在60℃下分别螯合不同时间。用乙醇沉淀氨基酸螯合钙后，测定反应体系中游离钙含量并计算钙离子螯合率，结果如图4。

图4螯合时间对螯合反应的影响

由图4可知：随着螯合时间的增大，钙离子的螯合率呈先增大后减小变化；当螯合时间为1.5h时，钙离子的螯合率达到最大值。若继续增加螯合时间，可能由于搅拌作用引起螯合物的降解，导致钙离子螯合率下降，所以最适螯合时间为1.5h。
2.2.4 螯合温度对螯合反应的影响
按钙含量与甘氨酸摩尔比为1：3，于 pH 值5.0下，在不同温度下分别螯合1h。用乙醇沉淀氨基酸螯合钙后，测定反应体系中游离钙含量并计算钙离子螯合率，结果如图5。

图5螯合温度对螯合反应的影响

由图5可以看出，随着螯合温度的增大，钙离子的螯合率呈先增大后减小变化；当螯合温度为60℃时，钙离子的螯合率达到最大值。若继续提高螯合温度，会引起螯合物的降解，导致钙离子螯合率降低，所以螯合的最佳温度为60℃。
2.3 螯合正交优化试验结果
根据单因素试验结果，选择质量比、pH值、时间和温度作为影响因素，按L9（34）设计正交试验，正交试验结果见表4。
表4 螯合反应正交实验结果
样品号
A
质量比
B
pH值
C
螯合时间/h
D
螯合温度/℃
螯合率
/%
1
1（1：4）
1（4.4）
1（1）
1（50）
64.90
2
1
2（4.6）
2（1.5）
2（60）
75.43
3
1
3（4.8）
3（2）
3（70）
69.21
4
2（1：5）
1
2
3
77.18
5
2
2
3
1
76.65
6
2
3
1
2
82.45
7
3（1：6）
1
3
2
85.63
8
3
2
1
3
86.71
9
3
3
2
1
88.24
K1
69.847
75.903
78.020
76.597

K2
78.760
79.597
80.283
81.170

K3
86.860
79.967
77.163
77.700

极差
17.013
4.064
3.120
4.573

由极差分析表4可知，钙离子和甘氨酸质量比对钙的螯合率影响极显著差异，而pH、螯合时间和螯合温度对钙的螯合率影响不显著。因素主次因素顺序为：A>D>B>C，因素水平最佳组合为A3D2B3C2。因此，蛋壳粉酸水解制备可溶性钙的最佳工艺条件为：可溶性钙和甘氨酸质量比为1：6，在pH为4.8， 60℃下螯合反应1.5h。此条件下，可溶性钙的螯合率高达89.32%。

3 结论
利用蛋壳粉酸水解制备可溶性钙的最佳工艺条件为：1g蛋壳粉加入10mL 2moL/L的盐酸，在50℃下酸水解15min。此条件下，可溶性钙得率为387.0mg/g。
蛋壳粉中钙离子与甘氨酸螯合制备氨基酸螯合钙的最佳工艺条件为：可溶性钙和甘氨酸质量比为1：6，在pH为4.8， 60℃下螯合反应1.5h。此条件下，可溶性钙的螯合率高达89.32%。

参考文献
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