岳盼盼 付亙愨 胡亞潔 李艷霏 彭鋒 孫潤倉
摘 要:在一體化的木質(zhì)纖維生物質(zhì)精煉過程中,選擇性分離半纖維素非常關(guān)鍵。本文對傳統(tǒng)和新型溶劑體系分離半纖維素的方法進(jìn)行了詳細(xì)綜述,綜合闡述了國內(nèi)外研究學(xué)者在半纖維素分離方面的相關(guān)研究成果,并對不同的分離方法進(jìn)行了比較和討論。
關(guān)鍵詞:半纖維素;分離;木質(zhì)纖維生物質(zhì);溶劑體系
中圖分類號:TS721
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
DOI:10.11980/j.issn.0254?508X.2019.06.011
Research Advance in Isolation of Lignocellulosic Biomass Hemicelluloses
YUE Panpan1 FU Genque1 HU Yajie1 LI Yanfei1 PENG Feng1,* SUN Runcang2
(1. College of Materials Science and Technology, Beijing Key Lab of lignocellulosic Chemistry, Beijing Forestry University, Beijing,
100083; 2. School of Light Industry and Chemical Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian, Liaoning Province, 116034)
(*E?mail: fengpeng@bjfu.edu.cn)
Abstract:Selective isolation of hemicelluloses is critical in an integrated lignocellulosic biorefinery. The isolation of hemicelluloses used traditional and novel solvent systems are detailed reviewed, and the results of hemicelluloses isolation conducted by researchers at home and abroad are comprehensively expounded. Additionally, the advantages and disadvantages of these methods are compared and discussed.
Key words:hemicelluloses; isolation; lignocellulosic biomass; solvent system
近年來,木質(zhì)纖維生物質(zhì)資源的充分開發(fā)和利用成為全球研究熱點(diǎn)之一。木質(zhì)纖維生物質(zhì)資源是自然界中的巨大寶藏,使用有效地預(yù)處理方法破壞復(fù)雜的生物質(zhì)結(jié)構(gòu),可以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)一系列燃料和有價值的平臺化合物。生物質(zhì)細(xì)胞壁主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成,對這3種組分進(jìn)行有效地分離、純化以及高值化利用是當(dāng)下備受關(guān)注的焦點(diǎn)(見圖1)[1]。
半纖維素作為木質(zhì)纖維生物質(zhì)資源的重要組分之一,因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和綠色環(huán)保等性質(zhì)逐漸展現(xiàn)出重要的市場前景和應(yīng)用價值。實(shí)現(xiàn)半纖維素高值化應(yīng)用的前提是將其從植物細(xì)胞壁中進(jìn)行高效分離。半纖維素是一種低相對分子質(zhì)量、無定形,并且具有多官能團(tuán)(包括乙酰基、甲基、葡萄糖醛酸、肉桂酸以及半乳糖醛酸)的雜多糖[2]。半纖維素與木質(zhì)素之間存在共價鍵(主要是α?芐基醚鍵),且半纖維素與纖維素以非共價鍵(氫鍵)結(jié)合,這都在一定程度上限制了半纖維素的分離。本文綜述了目前文獻(xiàn)中用于從木質(zhì)纖維生物質(zhì)中分離半纖維素的幾種方法,并比較了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
1 傳統(tǒng)預(yù)處理方法
1.1 堿溶液提取法
堿提取半纖維素主要是通過斷裂木質(zhì)素的醚鍵、皂化半纖維素和木質(zhì)素間的酯鍵、減弱纖維素和半纖維素間的氫鍵作用、以及溶脹纖維素降低其結(jié)晶度,從而溶解出半纖維素。在堿處理的條件下,溶液的pH值可高達(dá)10,達(dá)到乙?;至训臈l件,使得O?乙?;菀琢呀?。目前已經(jīng)建立了幾種堿溶液從木質(zhì)纖維原料中分離半纖維的方法。一種方法是用堿溶液從綜纖維素中分離半纖維素,通過該方法分離的半纖維素呈淺棕色且含有較少的締合木質(zhì)素,可用于半纖維素的表征,也是制備商用半纖維素的方法之一[3]。另一種堿溶液提取方法是直接從脫蠟原料中提取半纖維素,通過調(diào)節(jié)堿提取液的pH值,濃縮,加入乙醇析出半纖維素,濃縮上清液,然后調(diào)節(jié)其pH值至2~3,析出木質(zhì)素[4?5]。這是一種較為環(huán)保的半纖維素提取方法,但是所得半纖維素的純度較低,與直接從綜纖維素提取得到的半纖維素相比,含有較高的木質(zhì)素。此外,筆者所在課題組一直關(guān)注基于逐步增加堿濃度連續(xù)堿提取半纖維素的方法。Peng等人[6]使用H2O,NaOH,以及60%堿性乙醇60℃下反應(yīng)3 h,逐步從脫蠟竹子中提取得到的7種半纖維素組分,總得率達(dá)到80.1%。與一步堿提取方法相比,梯度堿濃度模式的多步連續(xù)堿提取法獲得的半纖維素得率更高,且半纖維素組分結(jié)構(gòu)多樣。此外,堿種類(NaOH、KOH、LiOH、Ba(OH)2、Ca(OH)2和NH3·H2O等)、堿濃度、時間和溫度都對半纖維素的提取率有顯著的影響。其中,從半纖維素的得率來看,NaOH和KOH是較為優(yōu)選的堿種[7]。并且,在相同濃度下,NaOH比KOH能夠更有效地分離半纖維素,但KOH可以得到純度較高的半纖維素[8]。另有研究表明[9],堿濃度對半纖維素提取率的影響要大于溫度和時間的影響。
1.2 有機(jī)溶劑提取法
有機(jī)溶劑提取半纖維素的方法包括純的有機(jī)溶劑體系以及與水、堿、酸等復(fù)合的有機(jī)溶劑體系兩種。常用的有機(jī)溶劑包括:甲醇、乙醇、二甲基亞砜(DMSO)、丙酮和二氧六環(huán)。其中,DMSO是最常用的中性(非破壞性)溶劑,常用于從綜纖維素中提取半纖維素。Ebringerova等人[10]研究發(fā)現(xiàn),DMSO和DMSO/水混合液是低分支度聚木糖的有效提取溶劑,可在不斷裂乙?;吞擒真I的情況下提取半纖維素,這有助于半纖維素結(jié)構(gòu)的研究,在一定程度上彌補(bǔ)了堿提取半纖維素導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不完整性。此外,在生物質(zhì)預(yù)處理過程中,向有機(jī)溶劑中添加酸性和堿性催化劑,可以提高半纖維素的提取效率[11]。Xu等人[12]比較了各種有機(jī)溶劑混合物預(yù)處理秸稈的差異性,發(fā)現(xiàn)提取半纖維素的最佳條件是使用甲酸、乙酸和水(體積比為30∶60∶10)的混合溶液。另有研究使用有機(jī)溶劑與堿溶液逐級處理禾本科原料,比較了不同級分半纖維素的提取率并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征[13?14]。有機(jī)溶劑提取半纖維素具有溶劑易回收、保持半纖維素結(jié)構(gòu)完整性等優(yōu)點(diǎn)。然而,一般有機(jī)溶劑都具有毒性、不易降解,且處理大量有機(jī)溶劑成本高,這都在一定程度上限制了其大規(guī)模的應(yīng)用。
1.3 熱處理法
自水解,也稱為“水熱預(yù)處理”,以水作為反應(yīng)試劑,是一種成本低、工藝簡單、環(huán)境友好且抽提物易于分離和純化的預(yù)處理方法。在自水解過程中,水合氫離子可與闊葉木中聚木糖側(cè)鏈上的乙?;磻?yīng)得到乙酸,乙酸作為催化劑可促進(jìn)更多乙?;鶊F(tuán)的脫除,使得更多半纖維素聚糖溶出[15]。自水解條件對木材中半纖維素的溶出影響很大。袁梅婷等人[16]研究發(fā)現(xiàn),麥草自水解溫度為130℃時,半纖維素脫除率僅為1.3%;而當(dāng)溫度為170℃時,半纖維素的脫除率顯著提高,在保溫60 min前的快速脫除和60 min后的慢速脫除兩個階段分別可達(dá)到65.0%和16.7%。Svrd等人[17]比較了使用自水解和堿提取的方法從油菜秸稈中提取出的半纖維素,發(fā)現(xiàn)二者具有相似的相對分子質(zhì)量,但自水解預(yù)處理得到的半纖維素富含半乳葡甘露聚糖,而堿提取半纖維素主要是聚木糖。
蒸汽爆破預(yù)處理是熱處理方法的一種,與其他預(yù)處理方法相比,用高壓飽和蒸汽處理生物質(zhì)原料,瞬間降低壓力時產(chǎn)生的沖擊力導(dǎo)致原料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生爆炸性分解,從而達(dá)到分離的效果。在蒸汽預(yù)處理期間會形成醋酸和其他有機(jī)酸性物質(zhì),其可催化半纖維素的進(jìn)一步水解以及木質(zhì)素的軟化和部分降解。Teng等人[18]使用蒸汽爆破預(yù)處理和酶水解的方法研究玉米芯低聚木糖的生產(chǎn),發(fā)現(xiàn)玉米芯的最佳蒸汽爆破條件為196℃下保持5 min,半纖維素的回收率達(dá)到22.8%。此外,影響蒸汽爆破分離效果的重要操作條件包括:保壓時間、溫度和原料的尺寸。蒸汽爆破的處理過程通常與其他方法結(jié)合使用。Wang等人[19?20]研究了蒸汽爆破與堿/水/乙醇溶液結(jié)合處理胡枝子,充分討論了蒸汽爆破時間和壓力對纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間理化性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)在較短的蒸汽爆破時間內(nèi),自水解主要發(fā)生在半纖維素和纖維素的無定形區(qū)域;反應(yīng)時間的增加顯著增強(qiáng)了半纖維素的溶解。蒸汽爆破是一種能耗低、環(huán)境友好、危險性較小的工藝化學(xué)過程。然而,蒸汽爆破也存在設(shè)備成本高、分離的半纖維素相對分子質(zhì)量較低以及難以控制纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解等問題。
1.4 微波和超聲波輔助法
目前為止,已經(jīng)投入了大量的精力來開發(fā)環(huán)境友好的半纖維素提取過程,其中涉及通過非傳統(tǒng)能源(如微波和超聲波)的方式產(chǎn)生高能量的微環(huán)境。微波可以改變生物質(zhì)原料的超分子結(jié)構(gòu),使得纖維素的結(jié)晶度和晶區(qū)尺寸增大[21]。微波輔助提取主要是通過電磁輻射加熱原料,使得原料中的水分子在短時間內(nèi)升溫,從而對半纖維素進(jìn)行萃取。彭締等人[22]采用微波輔助的方法從玉米芯中提取半纖維素,研究了微波輔助條件下提取介質(zhì)、稀堿稀酸濃度、處理時間以及提取溫度等對半纖維素得率及平均相對分子質(zhì)量的影響。微波輔助稀堿抽提半纖維素得率高于常規(guī)稀堿抽提得率;并且微波輻射可以促進(jìn)熱水或堿從木屑中提取聚木糖。Hou等人[23]使用微波和離子液體組合的新型預(yù)處理策略,有效地解構(gòu)桉木粉中的木質(zhì)素和半纖維素,破壞其結(jié)晶區(qū)域,并導(dǎo)致孔狀和不規(guī)則的微觀形態(tài)的形成,這將有利于酶水解以及高的糖得率的形成。微波輔助和離子液體組合預(yù)處理在生物質(zhì)精煉中具有較高的應(yīng)用潛力,這項(xiàng)工作為預(yù)處理技術(shù)提供了有益的技術(shù)參考。微波輔助提取具有快速、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢,但是半纖維素的得率相對較低且難以得到大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。與傳統(tǒng)的堿抽提法相比,微波輔助法縮短了提取時間,減少了聚阿拉伯糖?木糖的分解和乙?;膿p失。
超聲波具有的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)能夠破碎木質(zhì)纖維的細(xì)胞,增加溶劑滲透性,從而使得有效成分溶出。超聲波預(yù)處理使得多糖糖苷鍵斷裂,利用其進(jìn)行原料的分離,可以顯著改善多糖的提取。Li等人[24]開發(fā)了一種玉米芯和固體酸催化劑的混合球磨體系與超聲波相結(jié)合的處理方法。此方法可以有效地破壞玉米芯的復(fù)雜結(jié)構(gòu),大多數(shù)半纖維素可以在隨后的水熱反應(yīng)中從玉米芯細(xì)胞壁中釋放出來。超聲波輔助法已被證明在堿溶液提取過程中具有積極的作用,可以增強(qiáng)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的分離以及提高半纖維素的得率,并且基本不會破壞半纖維素的分子結(jié)構(gòu)[25?26]。超聲輔助法反應(yīng)時間短,所得半纖維素的分支度較小,酸性基團(tuán)較少,且締合木質(zhì)素含量低,相對分子質(zhì)量和熱穩(wěn)定性較高,與傳統(tǒng)堿抽提法獲得的半纖維素沒有實(shí)質(zhì)性差異。
2 新型溶劑體系分離方法
目前,綠色技術(shù)是化學(xué)和化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域中的重要關(guān)注點(diǎn)之一,旨在保護(hù)環(huán)境和減少人類各種生產(chǎn)活動產(chǎn)生的負(fù)面影響。其中,將綠色溶劑用于生物質(zhì)的提取/分離和轉(zhuǎn)化是開發(fā)基于生物質(zhì)的新的可持續(xù)發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。到目前為止,可用的綠色溶劑的數(shù)量有限,離子液體(IL)、γ?戊內(nèi)酯(GVL)以及低共熔溶劑(DES)是最有希望的綠色溶劑類型。
2.1 離子液體
離子液體是一種具有低蒸汽壓、不可燃性及熱化學(xué)穩(wěn)定性的獨(dú)特綠色溶劑,而且對大多數(shù)的有機(jī)物和無機(jī)物具有較好的溶解性。離子液體的優(yōu)異溶劑化特性可以減少纖維素的結(jié)晶度,除去木質(zhì)素的位阻,增加原料的表面積,從而更有效地破壞纖維素?半纖維素?木質(zhì)素的緊密連接結(jié)構(gòu)。Miyafuji等人[27]提出了一種利用離子液體([C2mim]Cl)溶解日本山毛櫸(Fagus crenata)的反應(yīng)機(jī)理,在反應(yīng)的初始階段,離子液體滲入到木材內(nèi)部主要溶解多糖,并且伴隨少量木質(zhì)素的溶解;在反應(yīng)過程中,纖維素比半纖維素更早發(fā)生溶解,待所有的多糖從木材中洗脫出來后,木質(zhì)素的溶解速率才開始增加。該項(xiàng)研究機(jī)理的揭示為今后木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的溶解和分離提供了研究基礎(chǔ)。Mohtar等人 [28?29]利用離子液體([Bmim]Cl)和堿處理油棕空果束原料,分離得到的半纖維素得率為(27.17±1.68)%(見圖2)。通過上述所提出的分離技術(shù)不能獲得完全無定形的半纖維素部分。此外,離子液體可以重復(fù)使用,但其效率在隨后的實(shí)驗(yàn)周期中會有所降低。當(dāng)利用離子液體處理植物纖維原料時,離子液體中的陰陽離子具有重要的作用,能夠通過離子液體陰陽離子的種類及性質(zhì)判斷其對聚木糖的溶解性能。Raj等人[30]探索了5種離子液體用于生產(chǎn)可發(fā)酵糖的生物質(zhì)預(yù)處理過程,結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用[C4mim][OAc]和[C2mim][OAc]預(yù)處理秸稈,可以有效分離聚木糖。離子液體陰離子在半纖維素分離方面起關(guān)鍵作用,多糖的羥基與離子液體陰離子之間的氫鍵相互作用可以在一定程度上破壞纖維素和半纖維的分子內(nèi)/分子間的氫鍵,從而完成聚木糖的分離。另有研究發(fā)現(xiàn)在聚木糖/離子液體溶液中,離子液體的陽離子與聚木糖的作用遠(yuǎn)大于其陰離子與聚木糖的作用,并且陽離子的咪唑環(huán)及側(cè)鏈均與聚木糖相互作用[31]。離子液體陰陽離子與半纖維素相互作用機(jī)理的復(fù)雜性難以用一種或者多種測試方法一次性觀察清楚。
離子液體具有一定優(yōu)勢,但也存在許多弊端,如缺乏離子液體的毒性研究、樣品回收困難、部分離子液體的可生物降解性較差、成本高及容易造成環(huán)境污染等。此外,生物質(zhì)組分間的復(fù)雜聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的存在,使得離子液體分離的效率有限,分離的各組分仍有部分雜質(zhì),不利于所得組分進(jìn)一步應(yīng)用。因此,進(jìn)一步開發(fā)新型的生物相容性好、可降解的離子液體對保護(hù)環(huán)境具有重要的意義。
2.2 γ?戊內(nèi)酯(GVL)
目前,關(guān)于生物質(zhì)來源化合物的應(yīng)用受到人們廣泛的關(guān)注。γ?戊內(nèi)酯(GVL)可以通過C6和C5糖得到的乙酰丙酸(LA)中間體合成,是一種很有發(fā)展前景的可再生平臺化合物。GVL在水和空氣中能夠穩(wěn)定存在,是一種無毒、可生物降解以及性能優(yōu)異的綠色有機(jī)溶劑,并且是極性非質(zhì)子型溶劑的理想代替品。因此,GVL為生物質(zhì)衍生物替代石油衍生化學(xué)品和燃料提供了新機(jī)會。GVL可以和水以任意比例互溶,并且不會形成共沸物。目前,有很多研究集中在利用不同比例的GVL/H2O體系對生物質(zhì)原料進(jìn)行預(yù)處理。Shuai等人[32]利用80%GVL和20% H2O的溶劑體系在溫度120℃下以75 mmol/L H2SO4的酸負(fù)載量預(yù)處理闊葉木(固液比1∶5)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)聚木糖成功從木材中分離,且預(yù)處理后可回收高達(dá)96%的原始聚木糖;與乙醇、四氫呋喃(THF)以及稀堿等溶劑相比,使用GVL作為溶劑可以更好地將聚木糖從闊葉木中分離。此外,這種分離方法也可以應(yīng)用于針葉木、農(nóng)業(yè)殘留物以及能源作物等原料。Wu等人[33]使用與酶促水解相結(jié)合的GVL/H2O體系進(jìn)行溫和酸水解處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不同的GVL/H2O比例中,C5糖的得率通常要高于C6糖的得率,表明半纖維素在GVL/H2O體系中比纖維素更容易溶解。還發(fā)現(xiàn)在含有80% GVL和20%H2O的體系下,半纖維素水解形成的低聚物轉(zhuǎn)化成為單體(木糖)的情況更為顯著,這可以歸因于GVL和水的協(xié)同作用。Alonso等人[34]報道了一種整體轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維生物質(zhì)的半纖維素和纖維素的方法,該方法中GVL既是溶劑又是一種反應(yīng)產(chǎn)物,這一過程不僅可以利用半纖維素和纖維素同時生產(chǎn)燃料和化學(xué)品,還可以從消除預(yù)處理和萃取/分離步驟中獲益。
2.3 低共熔溶劑(Deep eutectic solvents, DES)
2003年,Abbott課題組[35]首次發(fā)現(xiàn)尿素和氯化膽堿可以組成熔點(diǎn)低于室溫的溶劑,并將其命名為低共熔溶劑(DES)。DES至少由一個氫鍵受體(HBA)和氫鍵供體(HBD)組成,當(dāng)它們混合時,可以形成強(qiáng)烈的氫鍵相互作用并且熔點(diǎn)較低。DES與離子液體具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)(低揮發(fā)性、低熔點(diǎn)、低蒸汽壓、不可燃性、熱穩(wěn)定性、高溶解度和可調(diào)節(jié)性等),因此又被稱為離子液體類似物或替代物。此外,DES還可以克服離子液體的制備復(fù)雜性、成本高和生物降解性差等限制性缺點(diǎn),它們作為綠色溶劑的潛力引起了人們的極大關(guān)注[36]。DES的獨(dú)特性質(zhì)及其簡單的制備方法使其成為各種應(yīng)用的理想介質(zhì),可以用來分離木質(zhì)纖維生物質(zhì)的主要組分(木質(zhì)素和多糖)。氫鍵在DES的形成以及多糖的溶解性和加工性能中必不可少,因此DES能夠有效地破壞多糖分子間氫鍵,促進(jìn)它們的有效溶解/加工。純的DES通常具有較高的黏度,阻礙了它的應(yīng)用,但是DES水溶液可比純DES更好地發(fā)揮作用[37]。Morais等人[38]研究了闊葉木中的半纖維素(即聚木糖)在DES水溶液中的溶解性,聚木糖溶解度的測試結(jié)果表明,用50%氯化膽堿(ChCl)/尿素(U)(1∶2)獲得的最高聚木糖溶解度高于83.3%乙酸膽堿水溶液中的聚木糖溶解度。最重要的是,聚木糖在50% ChCl/U(1∶2)中的溶解度與在常規(guī)介質(zhì)堿水溶液中的溶解度相似,這進(jìn)一步凸顯了DES分離聚木糖的潛力。此外,將苯?醇抽提后的木屑置于ChCl/U(1∶2)、NaOH及水中處理,當(dāng)固液比為1∶25時,ChCl/U(1∶2)處理原料獲得的聚木糖得率優(yōu)于NaOH和水。此外,在DES的溶解/回收過程中,聚木糖的回收率較高并且?guī)缀醣A袅司勰咎墙Y(jié)構(gòu)的完整性。盡管仍需要進(jìn)一步的工藝優(yōu)化和改進(jìn),但DES水溶液的溫度和pH值都比目前所使用的堿溶液要溫和,有希望用于聚木糖提取工藝的可替代溶劑。利用DES去除半纖維素時,其去除程度取決于DES種類和所需要的物理化學(xué)條件。Kumar等人[39]利用DES預(yù)處理稻草,在低pH值(pH值<2.0)、溫度60℃條件下持續(xù)反應(yīng)12 h,并未觀察到半纖維素的水解;然而,在溫度為120℃時,用強(qiáng)酸性DES(氯化膽堿/草酸)在4 h內(nèi)水解了大部分的半纖維素[40]。此外,使用兩個階段的DES組合預(yù)處理被證明是提高某些DES利用率的有效方法,通過仔細(xì)選擇DES種類和預(yù)處理兩個階段的前后順序,從而實(shí)現(xiàn)半纖維素的高效分離[40]。
3 結(jié) 語
綜合以上幾種半纖維素分離方法的討論發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)分離方法和新型溶劑體系分離方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。微波、超聲波、熱處理以及新型溶劑體系分離方法可以改善堿溶液和有機(jī)溶劑分離方法的污染環(huán)境等問題,但在一定程度上限制了其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。隨著半纖維素分離方法的不斷改進(jìn),一方面解決了某些分離方法的弊端,但也伴隨著其他問題的出現(xiàn)。因此,利用各種分離方法優(yōu)勢相結(jié)合的形式進(jìn)行半纖維素的分離,以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的分離效果。綜上,在未來半纖維分離方法的研究中應(yīng)注重解決以下3個問題:①以低成本及低能耗獲得半纖維素高得率;②提高半纖維素純度及結(jié)構(gòu)完整性;③實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保及大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的分離過程。
參 考 文 獻(xiàn)
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