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Geschmackssymposium Bremerhaven „The Taste of Love“ 09. bis 10. Juni 2010

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Geschmackssymposium Bremerhaven „The Taste of Love“ 09. bis 10. Juni 2010. Neuartige Technologien zur authentischen Generierung von Aroma, Geschmack und Textur bei Lebensmitteln Prof. Dr. Klaus Lösche ttz Bremerhaven BILB-EIBT, Hochschule Bremerhaven. Sensorik und Produktqualität.

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Presentation Transcript
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Geschmackssymposium Bremerhaven

„The Taste of Love“

09. bis 10. Juni 2010

Neuartige Technologien zur authentischen Generierung von Aroma, Geschmack und Textur bei Lebensmitteln

Prof. Dr. Klaus Lösche

ttz Bremerhaven BILB-EIBT,

Hochschule Bremerhaven

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Natural Flavour Formation

Biogenetic Flavours (Primary)Prepared Flavours (Secondary)(uncooked Food)

e. g. Milk BoilingBakingBroilingRoastingFermentation Vegetable e.g. Potatoes Bread Meat Meat Yoghurt Fruits Vegetables Pastry Fish Coffee Cheese Spices Cereals Confectionery Potatoes Peanuts Pickled cabbage

Enzymatic Flavour Flavour Development Through MicrobiologicalDevelopment Heat-Treatment (e. g. Maillard-Reaction) Flavour Development

manufacturing of natural flavours
Manufacturing of Natural Flavours

ANIMAL (Beef, Chicken, Seafood, ...) Extraction VEGETABLE (Spices, Mushroom, Orange, ...)

Distillation (Citrus, Spearmint, Juniper berry, Pear, ...)

Concentration (Extracts, Fruit Juices, ...)

FERMENTATION (Acids, Alcohols, Lactones, Acetoin,BiotechnologyPyrazines, ...)

ENZYME MODIFICATION (Cheese, Soy, Strawberry,Meaty, notes,...)

Hydrolysis (HVP, HAP, ...)

Mild / Kitchen Chemistry (Natural Esters, Natural Aldehydes, ...)

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Biotechnologische Verfahren

  • FERMENTATION (Mikroorganismen)
  • Enzymatische Modifikation
    • Löslich
    • Immobilisiert
  • Pflanzen-Zellkulturen (PTC)
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In Fermentation verwendete Organismen

  • Bakterien
  • Pilze: Hefen, Actinomyceten
  • Viren, Bacteriophagen
  • Protozoen; Algen
  • Pflanzen-Zellen und –gewebe
  • Tierische Zellen
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Aromastoffbildung entlang von Backprozessen

  • Enzymatische Umsetzungen aus enzymhaltigen Rohstoffen (Mehl, Back-mittel, Malz, etc.) bis hin zu spezifischen Endprodukten (Beispiel: Teige, Vorteige, Sauerteige, Langzeitführung ...)
  • Fermentation mit Mikroorganismen (Hefe, Milchsäurebakterien etc.) führt zu Stoffwechselprodukten (Beispiel: Teige, Vorteige, Sauerteige, Langzeitführung ...)
  • Thermische Reaktionen: Karamellisierungen, Maillard-Reaktionen etc.(Beispiel: Backtemperaturen)
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Taste andFlavour

  • 2-Acetyl-1-Pyrrolin isteinSchlüsselaromastoff inWeizenbroten, welcherzumröstigen Aroma derKrustebeiträgt
  • 2-Acetyl-1-Pyrrolin entstehtwährenddes BackensauseinerDikarbonylkomponenteund Ornithin
  • OrnithinistkeineproteinogeneAminosäure und wird voneinigenLaktobazillenausArginingebildet
  • DerGehalt an Aminosäuren (Arginin) in Brotmehlenistgering!

SteuerungderOrnithinbildungdurchL. pontis und L. reuteri

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Character Impact Compounds

ProteolytischerAbbaudurchMehl-Proteasen

Fermentation

Arginin-DeiminaseWegvon L. pontis u. a.

Fermentation

Maillard-Reaktion

Backen

Thiele, Gänzle, Vogel 2002 Cereal Chem 79:45; 2003, J. Agric Food Chem 51:2745Schieberle, 1996 Adv. Food Sci 18:237; Kang, Hertel, Brandt, Hammes, unveröffentlicht

Bildung von 2-Acetyl-Pyrrolin bei der Brotherstellung

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Beeinflussung und Verhältnis von Aroma- und Geschmacksstoffen durch Fermentation und Backprozess (Rothe, modifiziert)

Alken-Alkohol

Alkan-Alkohol

Amine

FuranDerivate

Substrat(Mehl etc.)

Aldehyde

Ester

Fettsäuren

Pyridine

Fermentation

Backprozess

Hydroxy- und Ketosäuren

Pyrazine

Pyrrole

  • Percursoren- Zucker- Aminosäuren- Fettsäuren
  • Enzyme
  • sek. Inhalts-stoffe
  • anderes

Ketone

Hydroxy- und Ketone

Lactone

HeterocyclischeVerbindungen

Maillard-ReaktionenKaramellisierungen

Katabolismus, partiell Anabolismus

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Phytaseaktivitäten in verschiedenen

Getreidemahlerzeugnissen

Abb.: Phytaseaktivität in µg umgesetztes Phosphor je g Probe und min. von verschiedenen Mehlen

Bedingungen: Inkubationszeit: 20 Min., Inkubationstemperatur: 50°C Inkubationszeit: 20 Min., pH 5,0

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Reissauerteig

 Säuregrad = ca. 75 %

Einfluss einer mikrobiellen Phytase auf den Säuregrad und den pH-Wert von Reissauerteig (Reispuder aus Weißreis).

Einstufige Führung, TA = 200, T = 35 °C (konst.), Starter: 0,5 % PL 1 bezogen auf Mehl

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Aleurone – Concentrated Source ofPhyticAcid (~ 4%)

OPO3H2

H2O3PO

OPO3H2

H2O3PO

OPO3H2

Aleuronecellwithinclusionbodiescontainingproteinandphytin

*Hoseney (1994). Principles of Cereal Science and Technology.

OPO3H2

PhyticacidMyoinositolhexaphosphate

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Einfluss von Phytase auf Teig und Gebäck (Thesen) Model: schematisch

Me

katalytische Wirkung

+

Me

Me

(Maillard)

Phytinsäure

Phytase

Proteine, Peptide

Rheologie, Hefe, Aroma, Geschmack,Farbe…

Protein

Peptide

ortho-Phosphat

myo-Inositol

Mineralstoffe (Ca, Mg, Fe, …)

Calciumionen, Ca2+

Milchsäure-bakterien, Hefen

-Amylase

Milchsäure, Essigsäure, CO2, Aromastoffe

Oligosaccharide

Stärke

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Phytase-gestützte Weizensauerteige im Vergleich

PL 1 – Weizensauerteig 20 %

PL 3 – Weizensauerteig 10 %

PL 3 – Weizensauerteig 20 %

Ohne Weizensauer-teig

PL 1 – Weizensauerteig 10 %

Einfluss von Phytase (PL3) auf die Qualitätsmerkmale von Weizenbrot (Weizensauer: TA 200, Fermentation bei 16 Std. und 35°C)

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Verstärkung von natürlichen Aromen bei der

Lebensmittelverarbeitung

Aromaverluste

Processing

Lebensmittel-verarbeitung

Rohstoff

Lebensmittel mit verstärktem Aroma

Processing

Enzym-Quelle

Aroma-Enzyme

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Aromabildung aus Kohlenhydraten und Triglyceriden

Aromabildung aus Kohlenhydraten

Lactoseβ-GalactosidasenGlucose + GalactoseMilchsäurePropionsäureAcetoinAcetaldehydDiacetyl u. a.

FettLipasenFettsäuren + Glycerin

DecarboxylasenAldehydeKetone

Aromabildung aus Triglyceriden

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Aromabildung aus Proteinen

Aromabildung aus Proteinen

Proteine

Endoproteasen

Peptide

Exoproteasen

Aminosäuren

DesaminasenDecarboxylasen

Desamierung

Decarboxylierung

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Aromaverbindungen aus Butter

Alkane: C1-12; und ringförmig

Alkane: C5-12 (delta 2), C7 (delta 4)

Ketone: 2-Alkanone: C3-15

andere Carbonylverbindungen: C7-3 -on, Diacetyl, Aceton, Benzaldehyd, 2-Phenylacetaldehyd, Phenylpropandion

Lactone: delta C6-18, gamma C8-16, Bonlide

Alkohol: C1-10

Fettsäuren: C2,4,6,8,10,12 plus ungesättigt

Ester: C1,2,10 = Methyl-, C1,2,4,6,7,8,10,12

= Ethyl-, MethylbenzoatPhenole: Phenol-, m-Kresol, p-Kresol, o-Methoxyphenol

divers: Indole …… BenzothiazolDimethylsuflid, Indol, H2S

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Enzym-Kaskaden zur Generierung von Aromen

Milchfett oder Pflanzenfett Milchprotein oder Pflanzenprotein

LipasenProteinasen

Freie Fettsäuren Aminosäure (und Peptide)

OxidasenDesaminasen

β -Ketosäurenβ -Ketosäuren

DecarboxylasenDecarboxylasen

Methylketone Aldehyde

ReduktasenReduktasen

Sekundäre Alkohole Primäre Alkohole

Käsearoma

Abb.Enzymatische Erzeugung von Käsearomakonzentraten

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Character Impact Compounds

„Schlüsselverbindungen“ in geruchsaktiven Produkten

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Aktivierung von Aromastoffen

Aufbau eines Glycosids und mögliche Bedingungen zur

Zuckerabspaltung

Glycosid

Hydrolyse durch

Abspaltung des Zuckers

a) chemisch (Säure oder Base)

b) enzymatisch

c) thermisch

Zucker + Aglykonaromaaktiv

Aglykon

Zucker

nicht aromatisch

nach Werwitzke.U. et al. 2000. S.23

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Aromaverstärkung bei Erdbeeren durch Methylobakteriumssp.

(Siegmund et al., Graz 2009)

Formation of furaneol by the plant in symbiosis with methylotrophic bacteria

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TastyTomatoFlavours

(Synergy 2010)

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Aufbau einer pflanzlichen Zelle

Zelle als biochemischer Reaktor

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Biotransformation mittels Pflanzlicher Zellkulturen (PTC)

  • Aromatische Verbindungen
  • Alkalodie
  • Terpenoide
  • Cumarine
  • Steroide
  • Biochemische Reaktionen z. B.: EpoxydierungEsterbildungGlykosylierungHydroxylierungIsomerisierung Redox-ReaktionenMethylierung usw.
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Prinzip des mechanischen /enzymatischen Zellaufschlusses

  • Einbringung von mechanischer Energie durch Reibung, Scherkraft oder Kollision
  • Kraft > Berstkraft
  • Vermeidung von Reibungswärme
  • Enzymatischer Aufschluß
  • Freisetzung des Enzymkomplexes
  • Freisetzung von Farbe, Aroma und mehr…
  • anderes
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Gefrieren komplexer Systeme und Texturerhalt(pflanzliche Lebensmittel)

  • Pflanzliche Lebensmittel sind hormonell / enzymaktive Systeme (z. B. Früchte)
  • Primärwandstabilisierung: Aktivierung der fruchteigenen Peroxidase
  • Mittellamellenstabilisierung durch fruchteigene oder mikrobielle Pektinesterasen (z.B. vor oder nach dem Gefrieren)
  • Retardierung / Stopp des endogenen Metabolismus direkt nach der Ernte (vor dem Gefrieren)
  • Inhibierung spezifischer Enzyme
  • anderes

Ethylen Synthese

Amino Vinyl Glycinoder Silberionen hemmen die ACC-Synthase

Methionin

S-Adenosylmethionin

Diese Enzyme zeigen Aktivitätszunahme bei Reifungsbeginn

ACC-Synthase

(ACC)ACC-Oxidase

1-Aminocyclopropan-1-carboxylsäure

Ethylen (C2H4)

z. B. Expression der Gene zur Reifung bei der Tomate oder Wurzelhaarbildung in Arabidopsis

Begrenzendes Element ist die ACC-Synthase, deren Transkription wird durch Auxin stimuliertBeispiel: Fruchtboden der Erdbeere

Rezeptor

(nach GriersonandCovey 1988)

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Festigkeit von Zellen

  • Durch Gefrierprozesse ist die Abnahme der Festigkeit durch Kristallwachstum feststellbar.
  • Aufgrund der Permeabilitätseigenschaften kann es während des Gefrierens zu einem Austritt von Zellsaft in die Interzellularräume kommen.
  • Der Prozess führt bei niedrigen Gefrierraten zu großen Eiskristallen außerhalb der Zelle, wodurch das Zellgefüge gelockert werden kann (Pseudoplasmolyse).
  • Während des Auftauprozesses führt eine geringere Wasserwiederaufnahme (Rehydratation) der Zelle zu einem schwammigen Gewebe , das weitgehend seine Konsistenz einbüßt.
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Festigkeit von gefrorenen verarbeiteten Sauerkirschen(Extrusionstest): Stabilisierung der Mittellamelle und der Primärwand

Kraft Fmax (N)

(Wochen)(°C)

(ppm)

Kühllagerung

Vorerhitzung

Calcium

Quelle: K. Lösche (Hrsg.): Enzyme in der Lebensmitteltechnologie, Behr`s Verlag, Hamburg, 2003

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Fruchtfleischfestigkeit: Regulation durch Alpha-Mannosidase und ß-D-N-Acetyl-Hexosaminidase

Asis Datta et al. : Enhancementoffruitshelflifebysuppression N-glycanprocessingenzymes ; St.Louise, 2010

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Generierung formstabiler TK-Obstprodukte durch eine Spezial-Behandlung unmittelbar nach der Ernte (vor dem Gefrieren)

Ernte

Stopp des

endogenen

Stoffwechsels

Behandlung mit

elektromagnetischen Wellen

Reinigen, Sortieren

Gefrieren (verpackt, unverpackt)

Lagern

Auftauen

Erhalt der Textur, Konsistenz, nahezu keine Zellzerstörung

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Feuchte-und Temperatursteuerung ist Klimatechnik: Voraussetzung für Gasblasenexpansion

Sorptionsisothermen

Die Sorptionsisotherme ist die graphische Darstellung des Sorptions-Verhaltens einer Substanz (bei konstanter Temperatur). Sie beschreibt die Beziehungen zwischen dem Wassergehalt der Substanz und der relativen Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft bei einer bestimmten Temperatur .

Im geschlossenen Klimaautomat stellt sich in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Ware die von der Sorptions- Isotherme angegebene Luft-Feuchtigkeit ein, bis ein Gleichgewicht zwischen Ware und Umgebungsluft erreicht ist. Man spricht von der Gleichgewichts-Feuchte.

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Prinzip einer Ultraschallvernebelung : Erhalt der Wärmeleitfähigkeit

  • Mechanische Schwingungen die von der Oberfläche von Wasser Aerosoltröpfchen ablösen
  • Größe der Wassertröpfchen abhängig von der Ultraschallfrequenz (mind. >1MHZ)
  • Massenoutput, energetisch günstig

Die piezokeramischen Wandler (Transducer, Schwinger)

Abb.: Aerosole werden durch die Luftströmung im Befeuchter ausgetragen und vermischen sich sehr schnell mit der Umgebungsluft. Sie haben einen sehr kleinen Durchmesser (~ 0,001 bis 0,005mm) und bilden deshalb einen frei schwebenden Nebel.

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Differentielle Reaktionsraten von Hefen und Enzymen in Abhängigkeit von der Temperatur: Steuerung von Aroma, Geschmack und Farbe…

Abb.: Einfluss der Temperatur auf die Aktivität von Hefe (grüne Kurve) und Enzymen (rote Kurve). (Vereinfachte schematische Darstellung) Bsp.: Eine Verminderung der Teigtemperatur um 10°C reduziert die Hefegärung 5-10 fach, die Enzymtätigkeit aber nur 2-3 fach

log. Reaktionsgeschwindigkeit (v)

Hefe

x. 102

Enzyme

x. 101

Temperatur

°C

-10

0

10

20

30

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Porosität beeinflusst Crispyness, Porosität beeinflusst Wärme- und Stofftransport, Crispyness beeinflusst Aroma, Geschmack, Textur

und mehr

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Röntgen-tomographische Studien an Reis-Extrudaten:

Porosität und Expansion in Abhängigkeit von Wassergehalt

und Temperatur

(Nestle 2008)

Querschnittsbilder der Reisprodukte

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Grenzschicht-Situation im Augenblick der Entspannung

nach Heißextrusion

Interaktion und Gleichgewicht: flüssig gasförmig viskose Kräfte

KonvektionWärmeleitfähigkeit

Trockenmasse

Thermisch

Mol-Massen etc.P·V = nRT

Viskosität(z. B. Endviskosität)

aw-WertPorenwände- Dicke- Zustand (Glaszustand)- Festigkeit

Wärmeleitungthermische Expansion

p·V=n R·T

VerdampfungskältePoren-Generierung

Fertigung der Porenwände

Verdampfung

GasExpansion / Konvektion

Flüssig

Gleichgewichtsfeuchte

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Particle Charge for Texture: Novel Instrument for Batters

e.g. special Batters for Coatings of Frozen-Fish

conventional:amylomaize-flour-basis(inconvenient charge-situation)

  • fluctuations of „breading-Adhesion“ and -distribution
  • inadequate gas-permeability
  • little allowance concerning fluctuations in the water content
  • rejections 10-15% (problem: quality of product)
  • declaration in the case may be: “modified amylomaize”

new:hydro thermic treated flour(“Roland-Mühle“, Bremen) (wanted charge-situation)

  • good breading-Adhesion and -distribution
  • good gas-permeability
  • high allowance concerning the water content
  • rejections < 5%
  • clean label
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Einfluss von Additiven und Temperatur (UHT) auf die elektrische Gesamtladung von Schlagsahne (Döscher, 2009)
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Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

  • Die authentische Generierung von Aroma und Geschmack muss Lebensmittel-spezifisch erfolgen: fermentativ, enzymatisch, physikalisch…
  • Die Generierung von „characterimpactcompounds“ gelingt u.a. durch mikrobielle Syntheseleistungen (z.B. Methylobakterium: vgl. Erdbeere , Milchsäurebakterien: vgl. Backwaren) oder/und durch spezifische Beeinflussung des Stoffwechsels einer pflanzlichen Zelle, z.B. durch Induktion, ß-Glucanasen (Aroma-Enzyme) u.a.m.
  • Die Aroma- und Farbausbeute kann durch Zellaufschluß-Verfahren deutlich erhöht werden: z.B. Tomaten-Saucen, Paprika-Zubereitungen, Fruchtzubereitungen etc.
  • Das enzymatische Schälen, z.B. von Gewürzen, liefert vergleichsweise höhere Ausbeuten an Aroma, Geschmack, Farbe u.a.m.
  • Die Konsistenz ist bei Obst-und Gemüseprodukten oftmals eine der wichtigsten Qualitätsparameter; mehrere lebensmitteltechnologische Maßnahmen sind heute möglich: Stabilisierung der Mittellamelle, der Primärwand und Hemmung bestimmter Enzyme (alpha-Mannosidase etc.)
  • Crispyness bei Frühstückscerealien, Backwaren, Fischstäbchen etc. ist eine Resultierende der Porosität, die primär mithilfe physikalischer Verfahren generierbar ist (Aerosol-Technologie, Vakuum-Technologie, IR-Technik etc.)
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Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

  • Die Bestimmung der Partikelladung (PCD) kann neuartige Wege weisen zur Aufklärung von Stoffveränderungen und /oder Generierung von Textur, Emulsionsstabilität, etc.
  • Sensorische Größen wie Aroma, Geschmack sind u.a. abhängig von der jeweiligen Matrix und seinen Eigenschaften. So vermitteln Materialeigenschaften ( weich , fest, elastisch, spröde, knusprig etc.) neben anderen Eindrücken immer auch ein entsprechendes Aroma- , Geschmacks – und Genusserlebnis…
  • Viele neuartige und realistische Ansatzpunkte zur Generierung authentischer Qualitätsmerkmale (Sensorik) bei verschiedenen Lebensmitteln liegen vor, sie werden aktuell noch zu wenig genutzt….
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Bäckerei- und Getreidetechnologie

Prof. Dr. Klaus Lösche

ttz Bremerhaven

Am Lunedeich 12

27572 Bremerhaven

Tel. : +49 471 97297-12

Fax.: +49 471 97297-22

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