魔芋膠-黃原膠復配體系流變學特性及其凝膠形成動力學分析

曾瑞琪，李葦舟，趙 欣，張甫生,3，鄭 炯,3,*

魔芋（Amorphophallus konjac K. Koch）屬天南星科魔芋屬植物，其球狀塊莖中含有的葡甘露聚糖（konjacmannan，KGM）是魔芋膠的主要成分[1]，魔芋膠是魔芋精粉進行深加工后的產(chǎn)物，KGM質量分數(shù)可高達90%以上[2]。與魔芋精粉相比，魔芋膠的純度、細度、粒度更高，溶解速率和形成凝膠速率更快，理化性能更加優(yōu)良，且魔芋膠也屬一種性質優(yōu)良的水溶性膳食纖維，不被人體消化酶分解，僅在小腸下部和大腸內(nèi)被分解為葡萄糖和甘露糖，還可調(diào)節(jié)人機體膳食營養(yǎng)平衡，有防治便秘、減肥、抗癌、降血壓、排毒的作用，可以在食品、醫(yī)藥、化工、石油、化妝品等領域廣泛應用[2-4]。

黃原膠又稱為黃膠、漢生膠，是以玉米淀粉、蔗糖等為主要原料在甘藍黑腐病野油菜黃單胞菌（Xanthomonas campestris）作用下，經(jīng)好氧發(fā)酵產(chǎn)生的一種高黏度水溶性微生物胞外多糖[5-6]。黃原膠具有很高的分子質量，一般可達106Da，其分子結構是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸組成的“五糖重復單元”，分子主鏈有規(guī)則的卷曲形成雙螺旋結構[7]。由于黃原膠理想的增稠性、乳化性、成型性，使其在食品領域中被廣泛應用，在食品生產(chǎn)中其用量僅次于淀粉[8]，且在某些較為苛刻的條件下，黃原膠顯示出比明膠、羧甲基纖維素鈉、果膠、海藻膠等更加穩(wěn)定的特性[9]。

根據(jù)不同食品膠的單體性質和功能可以對食品膠進行復配，以便得到在功能上互補或優(yōu)良性質更加突出，甚至能在某些食品中起到獨立作用的復配物[10]，食用膠間的復配因可以擴大單品的應用范圍，強化食品的流變學性質，改善食品品質，并能在一定程度上降低生產(chǎn)成本，已成為目前的研究熱點。魔芋膠與黃原膠在單獨存在的情況下均不能形成凝膠，屬非凝膠性多糖，但魔芋膠與黃原膠在一定條件下復配能形成凝膠，并顯現(xiàn)出良好的協(xié)同增效性。王元蘭等[11]將魔芋膠與黃原膠復配，發(fā)現(xiàn)在魔芋膠與黃原膠質量比為3∶7時，復配凝膠表現(xiàn)出最高的黏度，且黏度隨溫度升高而下降，流變性能變好；陳志行等[12]研究發(fā)現(xiàn)當魔芋膠與黃原膠質量比為5∶5時，溫度越高混合膠的黏度越低，檸檬酸添加量大于0.2%時黏度下降，而蔗糖和功能性甜味劑則會使混合凝膠的黏度升高；Alvarze-Mance?ido等[13]將魔芋膠與黃原膠復配后發(fā)現(xiàn)兩者有非常明顯的協(xié)同增效性，并已將復配產(chǎn)物應用到藥物傳遞釋放體系中。目前，國內(nèi)外雖有魔芋膠與黃原膠復配的報道，但大多學者的研究重點多放在兩者復配條件的影響因素上，并鮮有對復配體系的流變學特性進行深入系統(tǒng)的研究。

因此，本實驗采用魔芋膠與黃原膠為原料，從靜態(tài)流變學特性、動態(tài)流變學特性及其凝膠形成動力學對復配體系進行更進一步研究，以期為魔芋膠-黃原膠復配體系在食品領域中的應用提供更完善的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魔芋膠（20 ℃條件下黏度為3.5 Pa·s，食品級）、黃原膠（分子質量1.76×106Da，20 ℃條件下黏度為6 Pa·s，食品級） 廣州鴻易食品添加劑有限公司。

1.2 儀器與設備

FA2004A電子分析天平 上海精天電子儀器有限公司；HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州澳華儀器有限公司；AR-G2旋轉流變儀 美國TA公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

參照梁申[14]的方法并稍作改動，保持復配膠體質量分數(shù)為1%，按照魔芋膠-黃原膠質量比為2∶8、4∶6、5∶5、6∶4、8∶2稱取，混合后加入熱水中攪拌，使混合膠完全溶解，在70 ℃水浴中加熱30 min，將樣品取出靜置冷卻后放入4 ℃冰箱中，放置24 h后取出樣品進行流變學特性測定。

1.3.2 流變學特性測定

靜態(tài)剪切流變測定：取制備好的復配凝膠樣品，采用平板-平板測量系統(tǒng)，平板直徑60 mm，設置間隙1.5 mm，用一次性滴管滴加樣品，用刮板除去平板外多余樣品，表面涂硅油以防止水分蒸發(fā)，在25 ℃條件下測量剪切速率（γ）從0.01～10.00 s-1遞增，再從10.00～0.01 s-1遞減范圍內(nèi)樣品的黏度與剪切應力變化情況。剪切應力與剪切速率的關系可采用Power-Law模型（式（1））對數(shù)據(jù)點進行回歸擬合，擬合系數(shù)R2表示方程擬合精度。

式中：σ表示剪切應力/Pa；K表示黏度系數(shù)/（Pa·sn）；γ表示剪切速率/s-1；n表示流體指數(shù)。

動態(tài)黏彈性能的測定：在25 ℃條件下，掃描應變值為5%，振蕩頻率設定從0.1～10.0 Hz，保留時間180 s，測定樣品儲能模量G’、損耗模量G’’以及損耗正切角（tan δ）隨角頻率的變化。

動態(tài)溫度掃描測定：溫度以3 ℃/min從25 ℃升高到75 ℃，再以3 ℃/min從75 ℃降溫到25 ℃，掃描應變值5%，掃描頻率1 Hz，保留時間180 s，記錄整個過程中儲能模量G’、損耗模量G’’隨時間和溫度的變化情況。

1.3.3 凝膠形成速率的計算

等速率降溫可以更加直觀地了解凝膠形成過程時體系結構的變化情況[15-16]。平均凝膠形成速率（average structure developing rate，SDRa）可以描述凝膠形成過程中彈性性能的變化情況[17]。SDRa可通過dG’/dt來表示，根據(jù)式（2）計算。

式中：G’1和G’2分別為初始結構和最終結構溫度對應的儲能模量/Pa；t1和t2分別為初始結構和最終結構時間/s。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有實驗均重復3 次，每次測試均需更換樣品。所有圖表均使用Origin 9.0和Microsoft Excel 2010軟件進行繪制，利用SPSS 19.0軟件對剪切應力與速率關系進行Power-Law擬合以及動力學參數(shù)分析，利用鄧肯氏多重比較對差異顯著性進行分析，P＜0.05表示有顯著性差異，P＜0.01表示差異極顯著。

2 結果與分析

2.1 復配體系的流變學特性

2.1.1 靜態(tài)剪切流變特性

圖1 魔芋膠-黃原膠復配體系剪切應力（A）和黏度（B）隨剪切速率變化曲線Fig. 1 Curves of shear force (A) and viscosity (B) of konjac gum-xanthan gum mixed systems versus shear rate

圖1 A為不同質量比的魔芋膠-黃原膠復配凝膠體系剪切應力與剪切速率的關系曲線。隨著魔芋膠占比逐漸增大，復配體系的剪切應力也逐漸增大，當魔芋膠與黃原膠的質量比為5∶5時，復配體系的剪切應力增幅明顯，而兩者比例達到6∶4時表現(xiàn)出最高的剪切應力。這表明魔芋膠與黃原膠復配體系的抗剪切性隨著魔芋膠占比的上升而增大，魔芋膠與黃原膠混合復配后分子間除范德華力之外，應該還存在引起復配體系抗剪切性顯著增強的其他相互作用力，同時黃原膠自身在剪切作用下的穩(wěn)定性也對復配體系具有保護作用[18]。當魔芋膠占比進一步增加，兩者質量比達到8∶2時，復配體系的剪切應力則開始減小，其剪切應力小于質量比為5∶5時的剪切應力，說明當魔芋膠在復配體系中占比過多時會使得整個體系的抗剪切性能下降。

由圖1B可知，隨著剪切速率的不斷增加，所有復配體系的黏度均呈現(xiàn)下降趨勢，表現(xiàn)為典型的剪切變稀的非牛頓流體的特性。當魔芋膠與黃原膠質量比為6∶4時，體系的黏度達到最大值，與剪切應力隨剪切速率變化的關系相符合，更加說明兩者之間存在顯著的協(xié)同增效性。Paradossi等[19]認為這可能是由于黃原膠分子的三維折疊螺旋結構與無序結構發(fā)生轉變有關。當魔芋膠含量適當增加時，黃原膠可通過側鏈與魔芋膠分子中的葡甘露聚糖進行穿插，從而能形成較為致密的微觀網(wǎng)絡結構，因此使得復配體系的抗剪切性能有一定程度的增強。

表1 魔芋膠-黃原膠復配體系Power-Law方程擬合參數(shù)Table 1 Power-Law parameters for konjac gum-xanthan gum mixed systems

用Power-Law模型對數(shù)據(jù)點進行擬合，如表1所示，擬合的決定系數(shù)均在0.95以上，表現(xiàn)出較高的擬合精度。該模型中流體指數(shù)n是用于衡量非牛頓流體行為程度的量度，n值小于1時，表明測定的流體為假塑性非牛頓流體，且n值越遠離1，流體表現(xiàn)出的假塑性越強；稠度系數(shù)K為流體稠度的量度，K值越高表示流體的稠度越大。由表1可知，所測樣品的流體指數(shù)均小于1，表明魔芋膠-黃原膠復配體系為典型的假塑性流體，當魔芋膠占比增加時，n值逐漸減小，當質量比為6∶4時，體系的n值達到最小，并且該質量比下的復配體系也具有最大稠度系數(shù)，表明此時復配體系具有最大的黏度。魔芋膠中的魔芋葡甘露聚糖分子平滑，在其不分支的部分可與黃原膠形成次級鍵，增強相互作用，從而使得體系的穩(wěn)定性增強。這一結果與鄭梅霞等[20]對黃原膠的流變性及與魔芋膠的協(xié)效性研究結果相類似。

2.1.2 動態(tài)黏彈流變特性

圖2 魔芋膠-黃原膠復配體系動態(tài)模量隨角頻率變化曲線圖Fig. 2 Dynamic moduli versus angular frequency curves of konjac gum-xanthan gum mixed systems

動態(tài)黏彈性不僅與物質的實際品質息息相關，在很大程度上也能夠表征物質之間的三維網(wǎng)絡結構[21]，儲能模量（G’）與損耗模量（G’’）可分別用來表示材料形變時的彈性大小與黏性大小[22]。圖2為魔芋膠-黃原膠復配體系動態(tài)模量隨角頻率變化關系圖。所有測試樣品的G’均大于相應的G’’，說明測試樣品具有凝膠的特性，且在整個測試角頻率范圍內(nèi)，G’與G’’變化幅度很小，可認為在該測試角頻率范圍內(nèi)魔芋膠-黃原膠復配體系的彈性性能和黏性性能幾乎保持不變。當魔芋膠與黃原膠的質量比為6∶4時，復配體系的G’值最大，質量比從5∶5增加至6∶4時，G’值增幅顯著，表明在此質量比下的復配體系的彈性性能最強，說明魔芋膠與黃原膠在該質量比下分子間的網(wǎng)絡交聯(lián)程度顯著增加[23]，而當魔芋膠比例再增加時G’值變小，彈性性能降低。質量比為2∶8時，復配體系的G’’較高，表明此時復配體系中高分子鏈間的相互磨擦阻力較小[24]，體系具有的黏性特征較強，表現(xiàn)出流動流體的性質。而質量比達到5∶5時G’’值顯著下降（P＜0.05），6∶4與5∶5的復配體系G’’相近，兩者的黏性性質較弱，形成的凝膠強度較大。

圖3 魔芋膠-黃原膠復配體系tan δ隨角頻率變化曲線圖Fig. 3 tan δ versus frequency curves of konjac gum-xanthan gum mixed systems

機械損耗角正切tan δ是G’’與G’的比值，該比值越小表明復配體系的彈性越強，反之則說明黏性越強[25]。由圖3可以看出，所測樣品的tan δ值均小于1，魔芋膠-黃原膠復配體系展現(xiàn)出良好的固體特征，魔芋膠與黃原膠協(xié)同作用形成高強度凝膠，且凝膠強度與兩者間的質量比有較大聯(lián)系。當魔芋膠與黃原膠質量比為2∶8時，復配體系的tan δ明顯高于其余質量比，且隨著測試頻率的增加顯現(xiàn)出較大的漲幅，可能是由于復配體系中魔芋膠占比較小，帶入的葡甘露聚糖不能將黃原膠分子中的乙酰基完全結合，黃原膠側鏈伸展使復配體系分子間存在較大斥力，因此不能形成更加緊密的結構。而當質量比為

5∶5和6∶4時體系的tan δ較小，且在整個測試頻率范圍內(nèi)曲線波動不明顯，表明復配體系結構穩(wěn)定，能夠保持較高的彈性性能，使得復配體系呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的固體特征；當質量比為8∶2時，由于魔芋膠占比過多，其分子中的葡甘聚糖與黃原膠分子間的交聯(lián)程度下降而導致結構松散，彈性強度隨頻率發(fā)生變化，使得體系的tan δ升高。

2.2 復配體系的凝膠形成過程

2.2.1 復配凝膠的動態(tài)模量

圖4 魔芋膠-黃原膠復配體系動態(tài)模量隨溫度變化曲線Fig. 4 Dynamic moduli versus temperature curves of konjac gum-xanthan gum mixed systems

由圖4可知，隨著溫度的升高，復配體系的儲能模量與損耗模量均表現(xiàn)出下降的趨勢，這可能是由于溫度升高，體系分子間的熱運動加劇，從而使得魔芋膠與黃原膠之間的聯(lián)結發(fā)生松動，在較高的溫度下復配膠體內(nèi)部的凝膠結構發(fā)生巨大變化[26]，因此在升溫終點體系的動態(tài)模量值處于較低水平。G’變化可大致分為3 個階段，升溫初期，G’下降緩慢，可能是由于在初期升溫范圍內(nèi)，溫度升高不明顯，分子熱運動加快速率較慢，魔芋膠與黃原膠之間的非共價結合斷裂較少；當溫度升高至40 ℃時，復配體系開始發(fā)生相轉變，凝膠因受熱逐漸轉變?yōu)槿苣z，彈性性能下降，G’迅速降低；同時，黃原膠分子中的雙螺旋結構易在受熱條件下打開，黃原膠與魔芋膠中的葡甘露聚糖所含有的β-1,4鍵的“嵌合”作用降低，也會加快復配體系彈性性能的下降（圖4A）。圖4B為復配體系G’’同溫度變化的關系曲線圖，G’’隨溫度的變化情況與G’相似，但在質量比為2∶8時，復配體系的G’’仍保持在較高水平，表明該質量比下的復配體系具有較高黏性性能，體系呈現(xiàn)較強的流體特征。這一結果與郭肖[27]的刺槐豆膠與魔芋膠復配的研究結果類似。

2.2.2 復配體系的凝膠形成速率

圖5 不同質量比魔芋膠-黃原膠復配體系凝膠形成Fig. 5 Formation of mixed gels with different konjac gum-xanthan ratios

圖5 A為質量比2∶8的魔芋膠-黃原膠復配體系，隨著溫度的降低，體系的G’逐漸升高，溫度在75～55 ℃時，G’變化不明顯，當溫度下降至50 ℃時，體系的G’升高迅速；同時，在50 ℃時復配體系的凝膠形成速率開始明顯增加，表明此時復配體系內(nèi)部凝膠結構初步形成，當溫度進一步降低，凝膠形成速率加快，表明在較低溫度下，魔芋膠側鏈上的基團與黃原膠的雙螺旋結構嵌合加快，且隨著溫度的降低，黃原膠的雙螺旋由無序松散的狀態(tài)逐漸變得有序緊湊，也使得復配體系的彈性性能增加，形成強度較大的凝膠，復配體系表現(xiàn)出固體形態(tài)。

圖5B為質量比4∶6的魔芋膠-原膠復配體系，在80～40 ℃的降溫過程中，G’與凝膠形成速率的變化與質量比為2∶8時的復配體系相比幾乎相差不大，但隨著溫度降低至40 ℃后，G’值也呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，凝膠形成速率加快，但形成的凝膠G’在終點時稍有上升，表明最終形成的凝膠強度增加，彈性性能進一步升高。

圖5C為質量比5∶5的魔芋膠-黃原膠復配體系，魔芋膠在復配體系中的占比升高至50%，在降溫過程中，G’與凝膠形成速率的變化趨勢仍舊隨著溫度降低而升高。但在該質量比下凝膠開始形成的溫度降低，在41 ℃時，體系的G’與凝膠形成速率首次劇烈增加，表明在該溫度下，魔芋膠與黃原膠之間的互相作用才開始有明顯的增強。這可能是由于魔芋膠增加，復配體系中的β-1,4糖苷鍵的含量上升，魔芋膠側鏈與黃原膠的雙螺旋結構作用時克服的能量壁壘升高，熱量用于復配體系中非共價鍵的形成從而使得溫度降低，同時在較低溫度下形成凝膠網(wǎng)絡，可使分子間的連接更加穩(wěn)定，因而使形成的凝膠具有較高的穩(wěn)定性，且保證整個凝膠有較強的彈性性能，使得形成的凝膠強度和硬度加大，相比魔芋膠占比較小的復配體系，該質量比的凝膠表現(xiàn)出更加堅實的固體特征。

圖5D為質量比6∶4的魔芋膠-黃原膠復配體系，魔芋膠所占的比例進一步升高，該質量比下形成的凝膠與質量比為5∶5時的復配體系相似，魔芋膠的含量再次增加，使得復配體系具有更強的強度，當?shù)竭_降溫終點時，該復配體系的G’也達到最大值，且與之前所測樣品相比增幅顯著。表明此時凝膠具有最強的彈性性能，魔芋膠與黃原膠之間的包埋嵌合作用達到最強，復配體系的結構最為緊密。

圖5E為質量比8∶2的魔芋膠-黃原膠復配體系，當魔芋膠占比達到80%時，凝膠形成速率稍有下降，當溫度降低至40 ℃后，凝膠的G’值低于質量比為6∶4時凝膠的G’值，表明此時形成凝膠的強度不及質量比為6∶4時的凝膠強度，這可能是由于魔芋膠添加量過多，帶入過量的分支側鏈，使得整個分子的結構變大，且由于黃原膠的含量降低，雙螺旋結構未能將魔芋膠中過多的葡萄糖基側鏈或β-1,4糖苷鍵完全包裹嵌合魔芋膠自身由于側鏈基團的相互排斥而導致最終凝膠網(wǎng)絡結構的強度下降，形成凝膠速率也降低。

2.2.3 質量比對動態(tài)模量及平均凝膠形成速率的影響

圖6 不同質量比對魔芋膠-黃原膠復配體系動態(tài)模量（A）及平均凝膠形成速率（B）的影響Fig. 6 Effects of different ratios of konjac gum to xanthan gum on G’,G’’ (A) and SDRa (B)

圖6 為等速溫度掃描降溫終點復配體系的動態(tài)模量及平均凝膠形成速率的變化情況。當魔芋膠在復配體系中占比增加時，降溫后形成的凝膠強度逐漸增加，當魔芋膠在整個復配體系中的含量達到50%時，G’迅速增加，當魔芋膠的量繼續(xù)增加時G’反而降低；而凝膠形成速率則在魔芋膠含量為40%時就開始顯著增加（P＜0.05）。魔芋膠中的親水基團在一定程度上將有助于凝膠強度網(wǎng)絡結構的增強[28]，魔芋膠中的親水基團在不影響整體分子結構的前提下，與黃原膠的雙螺旋結構相互糾纏增加了分子間網(wǎng)絡的連接性使得魔芋膠與黃原膠之間的氫鍵、范德華力、疏水相互作用等增強從而提高凝膠強度。

2.3 復配體系凝膠形成動力學分析

通過等速降溫可以較好地觀察凝膠形成的過程，聯(lián)合反應速率、時間、溫度等，G’可以用阿倫尼烏斯方程（式（3））表示。

式中：C0為初始濃度/（mol/L）；C為t時刻的濃度/（mol/L）；n為反應級數(shù)；k0為指前因子；Ea為反應活化能/（J/mol）；T為絕對溫度/K；R為氣體常數(shù)（8.314 J/（mol·K））。

反應速率見式（4）。

用阿倫尼烏斯方程計算反應速率常數(shù)（式（5））。

合并式（4）、（5）即可得到式（6）。

將式（3）中的C轉化為G’，由于溫度降低，體系的G’升高，呈現(xiàn)負相關變化趨勢，因此可將式（3）中的負號改為正號，即可用阿倫尼烏斯方程表示G’，見式（7）。

式中：G’為儲能模量/Pa；n為反應級數(shù)；t為時間/s；k0為阿倫尼烏斯常數(shù)/（Pa/s）；Ea為活化能/（J/mol）；R為氣體常數(shù)8.314 J/（mol·K）；T為絕對溫度/K。

利用上述模型對魔芋膠-黃原膠復配凝膠體系進行凝膠形成的動力學分析，反應級數(shù)n取2[29-30]。用式（7）計算相關參數(shù)，以作圖，由斜率可得到活化能Ea和與反應對應的阿倫尼烏斯常數(shù)。

由圖7可知，凝膠形成過程可分為2 個階段的反應：在較高溫度下魔芋膠與黃原膠相互“嵌合”形成具有三維結構的網(wǎng)絡，需要克服分子間的相互作用力；隨著溫度的降低，復配體系中分子間的纏節(jié)與包埋作用基本已趨于穩(wěn)定，凝膠網(wǎng)絡的構建已逐漸完成。當魔芋膠的添加量占總凝膠質量的50%時，凝膠形成過程在高溫區(qū)域和低區(qū)域已表現(xiàn)出明顯的差異，當魔芋膠的含量增加到60%時這種現(xiàn)象最為明顯，而當魔芋膠占比再加大時，變化已不顯著。

圖7 魔芋膠-黃原膠復配體系G’隨溫度變化關系曲線Fig. 7 G’ versus temperature curves of konjac gum-xanthan gum gels during cooling

表2 魔芋膠-黃原膠復配凝膠冷卻過程中的動力學參數(shù)Table 2 Kinetic parameters for konjac gum-xanthan gum gels during cooling

表2也可說明高溫區(qū)域和低溫區(qū)域凝膠形成時所需活化能的差異，在高溫區(qū)段凝膠形成需要較高的活化能，說明魔芋膠與黃原膠結合，由不能形成凝膠向可形成堅實度較高的凝膠轉變需要克服較大的能量壁壘。用阿倫尼烏斯方程對降溫過程中的G’與時間、溫度關系進行擬合，決定系數(shù)均在0.98以上，表明該方程對其有較高的擬合精度，說明所得動力學參數(shù)均有較高的可信度。這一結果與盛林杰等[31]對果膠凝膠動力學分析結果相似。

3 結 論

通過對不同質量比的魔芋膠-黃原膠進行系統(tǒng)、完整的流變學特性的分析，發(fā)現(xiàn)當魔芋膠與黃原膠質量比為5∶5和6∶4時具有較好的成膠特性，當質量比為6∶4時，復配體系具有最大的稠度系數(shù)與最小的流體指數(shù)，且通過動態(tài)流變學的分析發(fā)現(xiàn)此時的凝膠具有最強的凝膠強度和凝膠形成速率。因此，在實際的生產(chǎn)中可采用的質量比為6∶4。通過魔芋膠與黃原膠復配形成性質優(yōu)良的新凝膠可替代目前使用的多數(shù)食品膠而能在食品領域中廣泛應用，魔芋膠-黃原膠復配體系較強的凝膠性能可以彌補果膠、卡拉膠等在餅干、果凍、糖果等食品中的不足。在后續(xù)研究中，將對魔芋膠-黃原膠復配體系對食品質構、風味、感官等性質的影響做進一步研究，以便為魔芋膠-黃原膠在食品中的應用提供更完善的理論參考。

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