食品加工过程中组分结构变化与品质功能调控研究进展

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-03-05 10:27 热度：

摘 要：摘要 食品工业事关全民营养健康与国计民生，2015 年全国食品工业总产值达 11.4 万亿元， 占国民总产值的 16.7%，成为国民经济发展的支柱产业。 然而目前我国食品工业尚未从根本上摆脱加工经

　　摘要 食品工业事关全民营养健康与国计民生，2015 年全国食品工业总产值达 11.4 万亿元， 占国民总产值的 16.7%，成为国民经济发展的支柱产业。 然而目前我国食品工业尚未从根本上摆脱加工经验的束缚，未将加工过程与组分结构和品质功能有机结合，实现品质功能的理性设计、精准调控与高效制造，制约了食品产业发展与科技进步。 本文重点阐述目前食品加工过程中组分结构变化与品质调控的研究现状、不足与亟待解决的主要科学问题，提出未来的研究方向与重点。

　　关键词 食品加工; 组分结构; 品质功能; 调控机制

　　“民以食为天”，粮油、果蔬、畜禽、水产、调味品等食品是我国居民的主要能量与营养来源，食品加工业的健康发展事关全民营养健康和国计民生，日益成为国家关注、百姓关心的民生产业。 当前，我国食品工业已进入快速发展时期，2015 年全国食品工业总产值达 11.4 万亿元， 同比增长 4.6%，占国民总产值的 16.7%， 成为国民经济发展的支柱产业。 然而，目前我国食品工业仍然是从食品原材料特点及其加工性能出发， 利用已有技术和设备，凭经验进行加工，缺乏基础研究与理论支撑。同时，“原料-加工过程-制品”3 个环节也尚未系统关联与配套，难以实现目标食品的理性化设计、精准调控及高效制造， 无法满足人们对营养健康的需求，严重制约了食品工业健康发展[1]。

　　1 研究现状

　　食品科学基础研究是食品产业科技创新的源头和内在动力。 近年来，食品领域基础研究的重点是系统分析食品原料加工物质基础， 明确各组分在现代食品加工过程中结构变化规律及其对品质功能特性的影响，深入研究食品加工条件、组分结构变化、食品品质功能特性三者的关联性，并寻找出可以精准调控品质功能的理论、途径与方法，最终按照目标食品品质功能特性的需求来设计并实现食品的精准调控与高效制造。

　　1.1 原料组分指纹图谱与加工适宜性研究

　　原料组分特征指纹图谱与加工适宜性研究是食品加工与制造的基础。 食品工业中碳水化合物、蛋白质、 脂类及生物活性物质等组分组成与含量差异显著， 不同原料加工得到的制品品质功能也有明显区别。

　　1.1.1 原料组分特征指纹图谱 目前食品原料组分指纹图谱的研究主要集中在特征组分的含量与组成指纹图谱方面。Sundaram 等[2]采用近红外光谱研究了美国不同地区花生中油、 脂肪酸组成指纹图谱。 王强等[3]搜集了全国 111 个花生品种，建立了不同品种花生蛋白、氨基酸含量指纹图谱，结果表明：111 个花生品种 SDS-PAGE 指纹图谱中双纪 2 号、 粤油 14 号等 26 个品种缺失 35.5 ku 蛋白质亚基;不同花生品种花生球蛋白(Arachin)) /伴花生球蛋白(Conarachin) 比值变化范围较大，介于 0.87～1.68，此外，通过氨基酸含量指纹图谱确定了天门冬氨酸【(3.07±0.60) g/(100 g 花生)】、精氨酸【(3.14±0.53) g/(100 g 花生)】为花生的特征性氨基酸。 王鹏跃等[4]分析了 26 个稻米品种中淀粉、蛋白质含量指纹图谱，结果发现：淀粉含量变化范围介于 68.25%～76.99%， 蛋白质含量变化范围介于 6.85%～10.87%，而淀粉中 AM 的含量分布在 14.42%～21.06%， 说明 26 个品种均属于低 AM 含量，稻米膨胀性小，其米饭很黏，含水多而软，较易消化，适口性较好。 孙鸿飞等[5]分析了胶东地区红富士苹果 39 个品种的挥发性成分 GC-MS 指纹图谱，确定 α-法尼烯、2-甲基丁醇、己醇、及酯类等 11 种挥发性物质作为胶东地区红富士苹果挥发性成分的特征性指标。 综上所述，目前食品原料特征组分研究主要局限在组成与含量分析检测方面，而结构指纹图谱研究鲜有报道。

　　1.1.2 原料加工适宜评价技术 原料品种的特性与加工产品的品质密不可分， 不同加工产品对原料的要求不同， 没有适宜的原料品种就难以加工出高品质的产品。 Licher 等[6]提出美国不同类型花生具有不同的加工特性，兰娜型(Runners)花生适宜制作花生酱;瓦伦西亚型(Valencias)花生主要用于烘烤、带壳卖和卤煮;西班牙型(Spanish)花生具有较高的含油量使得它成为理想的榨油花生品种，同时西班牙型花生也用于加工甜点及花生酱;弗吉尼亚型(Virginias)花生具有大籽粒，主要用于带壳烘烤和加工咸花生或开胃花生。 王丽等[7]采用有监督主成分回归分析建立了油用花生品质评价模型，采用 K-means 聚类分析建立了油用花生的加工适宜性评价方法，结果表明：油用花生品质评价模型中包括粗脂肪含量、油酸/亚油酸比值和不饱和脂肪酸总含量 3 个指标， 模型预测值与实测值之间的相关系数为 0.70， 该模型可以较好地将花生品种进行油用等级划分 ， 筛 选 出 的 远 杂 9102、鲁花 9 号、徐花 14、黑花生、海花 1 等品种制备的花生油具有较好的稳定性。 杨炜等[8]利用回归分析及拟合检验， 建立了小麦原料特性与馒头品质相关关系模型，结果表明：馒头品质评价指标主要是比容、外观、外部色泽与适口性 4 个指标，而色差计参数 a* 值与外部色泽、质构仪咀嚼性指标与粘牙相关性具有较强相关性。 王春青等[9]运用 “合理-满意度”评价、聚类分析、回归分析等方法建立了原料肉品质与蒸煮肉样品质的综合评价模型，结果表明：该模型能较准确评价鸡肉蒸煮加工适宜性，在 10 个品种肉鸡中清远鸡、白羽肉鸡和童子鸡最适宜蒸煮加工，柴母鸡不适宜蒸煮。

　　我国拥有丰富的原料品种资源， 然而原料品种加工特性与品质评价技术， 特别是加工适宜性评价指标体系的建立才刚刚起步。 虽然近年来已开展原料品质评价与加工适宜性研究， 筛选得到诸多加工专用品种，但大多采用统计学方法，集中在组分组成、含量与食品品质的功能关系方面，如稻米支链/直链淀粉的含量、比例直接影响米饭的黏弹性、口感、老化回生及消化性等品质功能[10];花生中 35.5 ku 亚基含量与其蛋白制品的凝胶性等品质功能存在正相关关系[11];菜籽等油料中高含量的 VE 会影响植物油的色泽、 氧化稳定性[12] 等，然而有关特征组分结构指纹图谱、结构形成的关键酶与食品品质功能的关系尚未构建， 也未从特征组分结构指纹图谱角度深入剖析其加工适宜性分子机制。

　　1.2 食品加工过程中关键组分结构变化研究

　　食品加工过程中组分结构变化将影响其品质功能，关键组分(如碳水化合物、脂肪酸、蛋白质、生物活性物质)在加工过程中分子(链)、聚集态及分子内和分子间相互聚集、 组装直接构成食品品质功能。 围绕这些链转变、聚集、组装机理及其对食品品质功能的影响， 国内外食品领域开展了诸多研究。

　　1.2.1 单一组分多尺度结构变化 碳水化合物、脂类、 蛋白质等生物大分子在不同作用条件下一级或高级结构的转变机制差异较大。 日本东京大学 Adachi 等[13]成功获得并解析了大豆 11S 球蛋白 A3B4 亚基结晶 (分辨率 2.1A觷 )， 结果表明：A3B4 亚基为六聚体结构，由 2 个三聚体呈 32 点组对称(32-point group symmetry)相叠而成，其中关键的跨链二硫键易被蛋白酶破坏， 从而导致该六聚体结构向三聚体转变。 美国加利福尼亚大学戴维斯分校 Jack Preiss 等[14]详细综述了淀粉结构转变机制，提出当淀粉结晶过程中存在冷冻保护剂(如多糖)时，直链淀粉的树状结构(Treelike)会向丝状结构(Trichitic)或总状花序结构(Racemose)转变。美国麻省理工 Forget 等[15]发现了多糖水凝胶在羧化作用条件下其 α 螺旋结构会向 β 折叠转变。 中科院上海生科院尹慧勇等[15]从自由基迁移角度深入剖析了脂质氧化途径及其对品质功能的影响机制。

　　1.2.2 多组分相互作用 食品是碳水化合物、脂类、蛋白质等大分子共同作用形成的复杂材料，组分间的相互作用是近年来食品化学领域关注的重点。 Gaonkar 等[17]详细综述了食品中各种组分间相互作用的规律，发现蛋白-蛋白相互作用会产生三维网络结构， 蛋白-磷脂互作是影响食品乳液、面筋网络的关键，蛋白-淀粉互作在非加热条件下主要是静电作用力为主， 在加热条件下会形成较多的二硫键， 使蛋白-淀粉网络结构更为坚固。 Renard 等[18]综述了多酚-多糖相互作用机制，以及其对食品加工与消化率的影响， 发现果蔬加工中果胶的存在会导致酚酸、原花青素的提取率降低，并且影响其肠道益生活性， 主要是由于果胶与多酚会在细胞壁上自发形成聚合物。 Comert 等[19]研究了不同 pH 值、 离子强度条件下 β-乳球蛋白与透明质酸、黄蓍质的相互作用规律，发现复合体系随 pH 值变化的转变规律。

　　1.2.3 组分结构变化与品质功能的关系 食品组分结构及互作会导致其理化性质的改变， 最终将影响食品品质功能。 何轩辉[20]通过对比花生蛋白质高压处理前、后二硫键含量、表面疏水性、巯基含量等差异，推测油料蛋白质的热凝胶机理，结果表明： 超高压处理过程中花生分离蛋白肽链被打开，疏水基团和内部巯基大量暴露，发生-SS-/-SH 交换、-SH 氧化等反应形成大量二硫键，最终呈现凝胶。 Augusto 等[21]研究了高压均质对番茄汁流变性质的影响，结果表明：高压均质处理增加了番茄汁的弹性、储能模量、损耗模量和稠度，改善了番茄汁流变特性， 可能是由于高压均质处理过程中破坏了番茄汁中悬浮颗粒结构， 减小了颗粒尺寸引起的。Panozzo 等[22]研究发现 HPH 处理产生的果胶网络结构会影响番茄酱类胡萝卜素的生物利用率，主要是由于番茄红素、ε-胡萝卜素与果胶网络形成了复合物，导致其游离率降低。 Bi 等[23]利用 β-乳球蛋白 (β-lactoglobuli，BLG) 改善相思树胶(Gum Acacia Seyal，ASY)的乳化稳定性，结果发现 ：在 BLG/ASY 为 1/4 (m/m)， 温 度 60 ℃ ， 湿 度 79%时，BLG 和 ASY 会发生美拉德反应， 形成阿拉伯半乳糖聚糖糖蛋白(AGP)，显著提升其乳化性，其水包油乳液在低 pH 值、高盐条件下稳定。

　　食品中各种组分复杂， 加工过程影响因素众多，现有研究尚未深入、系统揭示食品加工过程中组分分子链、聚集、互作及其对品质功能的影响规律， 也未立足加工中组分结构变化来揭示食品品质功能形成机理。 例如：热处理条件下蛋白-多糖相互作用能够显著提升食品的色、香、味等食用品质，同时其营养和安全品质也会受到影响，其互作机制及其与食品品质功能的关联机制仍 未 明晰[24-26]。 小麦面筋蛋白是馒头、面条等食品品质的关键组分，然而其中麦醇溶蛋白、麦谷蛋白、淀粉，以及盐离子、水分在和面、发酵、蒸煮过程中如何形成面筋蛋白网络结构，该结构与馒头、面条等食品品质的关联机制仍缺乏系统研究[27]。

　　1.3 食品加工过程中关键结构(域)与品质功能的关联机制研究

　　从目标产品所要达到的应用要求和功能 出发，对该产品进行整体调控设计与制造，一直是材料科学与工程领域的主要学术思路， 其重要的理论依据就是任何材料的特定功能均由其特定结构所决定。 食品也是一类多组分、多尺度、多相态的特殊材料，“结构决定功能” 这一材料科学学术思路对食品品质功能精准调控具有实际指导意义。

　　1.3.1 食品关键结构(域)的确定 食品加工过程实际上是各种组分形成特定结构而展现其宏观特性的过程， 针对这种特定结构的研究也成为食品化学模拟体系与食品工程真实体系研究的交叉点。 Zou 等[28]采用不同来源小麦面粉制作意大利面，考察其消化特性与升糖指数，结果发现：天然小麦粉中的蛋白对淀粉的消化速率无显著影响，而制成意大利面后所形成的面筋网络结构能够有效降低淀粉的消化速率。 Park 等[29]研究了不同组分的面筋蛋白水解物对猪肉馅饼 4 ℃和 20 ℃无光照条件下储藏稳定性的影响，结果表明：酸性水解亚基(pI<3.0)和碱性水解亚基(pI>9.0)能 显 著提高猪肉馅饼的贮藏稳定性， 主要是由于猪肉馅饼中油脂、蛋白、磷脂、空气形成油膜(关键结 构域)，抑制氧化，其中蛋白和磷脂都带有大量电荷，酸性亚基和碱性亚基也带有大量正负电荷， 易吸附在油膜上形成物理屏障，抑制氧化。 Li 等[30]采用球磨和辛烯基琥珀酸酐处理淀粉， 探究其理化与加工品质变化，结果表明：淀粉粒的崩解、无定形化及辛烯基琥珀酸化会显著增强淀粉膨胀能力、溶解度、冻融稳定性、乳化性能、流动性和稳定性，并且降低其稠度、黏度、热阻和弹性模量。

　　1.3.2 关键结构(域)与品质功能的相关关系 食品加工会直接导致关键组分结构的改变， 进而影响食品品质功能。 Kubo 等[31]采用高压均质处理番茄汁，考察均质条件与关键结构的相关关系，以及其对番茄汁稳定性的影响，结果表明：随着高压均质压力的增加(0～100 MPa)，番茄汁中固形物颗粒粒径从 310 μm 降低到 110 μm，且形成网络结构，体系更加稳定，不易沉降与分层。 McClements[32]总结了现有食品加工技术对乳液稳定性的影响，提出范德华力、静电作用、空间位阻、排空效应、疏水作用、水合作用、热波动作用、非平衡效应等是维持乳液相界面的主要作用力， 也是乳液稳定性提升的关键。Vanier 等[33]研究了挤压处理大米、豆类、玉米淀粉过程中淀粉微观结构与挤出物理化性质的关系，结果表明：3 种产品中大米淀粉挤出物的膨胀率和硬度最低，主要是由于其只含 8%的直链淀粉，形成的网络结构致密、孔隙度小，而玉米淀粉因含有 55%直链淀粉，其挤出物的硬度是大米、豆类的 2 倍。 Wang 等[34]研究了热处理条件下面筋网络形成过程中蛋白构象改变及组分间相互作用规律，发现在加热过程中面筋蛋白分子逐渐展开，且蛋白构象由无规卷曲(40～50 °C)向分子间 β-折叠(90 °C)转变，进而蛋白分子发生聚集，产生空间位阻， 形成三维网络结构， 表现出面团的黏弹性。

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　　综上所述， 虽然现有研究明确了食品加工过程中组分互作形成的宏观结构(域)是其品质功能的关键，但关键结构(域)与品质功能的关联机制仍需深入研究。 如挤压技术在食品制造领域应用已超过 70 年的历史，利用该技术可对多种原材料进行改性，制备种类多样的方便食品、休闲食品、儿童营养食品，然而现有产品多为单一组分，如蛋白、淀粉等，采用多糖、生物活性物质等组分改善其品质功能的研究鲜有报道， 且挤压过程中多组分间相互作用机制尚未明晰，挤压过程、三维网络结 构 、 品质功能之间的相关关系仍未 系统阐明 [ 35 - 37]，这也是阻碍挤压技术在现代食品精准调控与高效制造中进一步发挥作用的瓶颈问题。 食品乳液稳定性研究已有近百年的历史， 围绕着如何更加有效地提高其稳定性，各种乳化剂(离子/ 非 离 子 型、可 溶/不 可 溶 等)、乳 化 方 式(均 质、微波、微射流等)层出不穷，然而仍无法完全解决食品乳液稳定性问题，归根结底还是因为“加工过程参数、乳液相界面、稳定性质”三者内在关联关系仍未系统研究[38-40]。

　　1.4 食品加工全过程调控理论体系及模型研究

　　由于食品基质体系复杂，加工技术条件多样，且加工过程具有变量多， 内外源因素不稳定等难以预测与控制品质功能等特点， 因此食品加工过程数字化、模型化、网络化一直是加工全过程调控理论体系构建的难点。 近年来国内外专家一直在尝试用各种方法对复杂食品加工过程进行数字化模拟与调控。

　　1.4.1 食品加工单元操作的模拟与调控 食品加工过程是由众多单元操作组成， 单元操作是进行食品加工全过程模拟与调控的基础。 Baldino 等[41] 将饼干焙烤过程视为一个拟均相的体系， 分别采用黏弹性本构方程表征面团流变特性， 采用热量和质量平衡方程来表征热质传递过程， 并通过计算“一个气泡”(所有气体的总体积)与黏弹层的热质传递量来修正焙烤过程产生的气体导致样品不均一性误差， 成功构建了饼干焙烤过程一维数学模型，该模型可以考察热流量、堆积高度、膨松剂用量、初始加水量等焙烤过程参数对温度分布、失重率、焙烤曲线的影响。 Watanabe 等[42]采用“需水量梯度”来表征水分的迁移，成功构建了需水量驱动 模 型(Water demand driven model)，该 模 型 属于 non-Fickian Diffusion 模型，能够更为准确地表征蒸煮过程中水分在淀粉类食品中的迁移规律。 Briffaz 等[43]研究发现在糙米浸泡过程中米皮是否破裂与温度显著相关， 通过计算不同温度条件下大米表观水分扩散系数， 成功模拟了糙米在正常用水量、有限用水量下的蒸煮过程，并利用该模型预测其质构特性。Valencia 等[44]应用二维相关方法成功构建了蛋白浓度、酶用量、温度与酶解时间的关系模型， 模拟了大马哈鱼肌肉蛋白和乳清分离蛋白的酶解过程，相关系数分别为 0.987 和 0.978。 Kelly 等[45]利用最小二乘法等数理统计方法对高压灭菌处理前后的蛋白质变化， 蛋白质复合物形成过程进行数学模拟。 Wang 等[45]分析牛肉在咀嚼过程中的微观结构机械性能和理化性质的改变，发现前 6 下咀嚼与其断裂韧性、硬度、弹性、黏性和咀嚼性显著相关， 而唾液的存在只影响样品的质量， 基于这些数据借助径向基函数神经网络成功建立了动态仿真模型，精确度可达 96.6%，能够很好地预测肉丸的品质。

　　1.4.2 食品加工全过程的模拟与调控 食品加工过程是一个复杂处理过程， 其模拟与调控涉及食品、化学、工程、计算机等众多学科。 Lucas 等[46]教授对面包烤制进行数值化模拟，建立了“蒸发-凝结-扩散”过程数学模型。Fasina 等[47]借助温度控制流变仪分析 12 种植物油的温度-黏性曲线， 发现单不饱和脂肪酸(MFA)和多不饱和脂肪酸(PUFA) 的含量与植物油的黏度相 关性显著 (R2> 0 . 82)， 进 而 采 用 改 进 的 Williams-Landel-Ferry (WLF)方程建立了相关关系模型，能够预测植物油储藏、加工过程中 MFA、PUFA 含量。 Ribeiro 等 [48]采用不同的吸附剂对橄榄油中叶绿素、脱镁叶绿素、类胡萝卜素等进行脱除，结果表明：吸附过程可以采用 Freundlich 和 Langmuir 吸附等温模型进行拟合。 Martinho 等[49]借助 ICAS-ProPred 综合计算机辅助系统来模拟大豆溶剂浸提制油过程，并利用已有工厂的数据来修正， 在此基础上获得最佳的大豆溶剂浸提工艺参数。Landucci 等[50]基于商业化过程模拟器，开发了植物油精炼过程模型，并结合工厂数据进行验证， 该模型成功建立了原料溶剂残留量与加工过程能量消耗量、 产品潜在的安全性的相关关系， 可依据原料特性提供最佳的精炼工艺条件。 整体来说，现有模型研究对象多为单元操作过程，环节及因素单一、局限性大，无法反映实际加工过程;尚未明确“食品加工过程组分结构变化-品质功能”三者的相关关系，也未基于特征组分结构变化构建食品加工全过程品质功能调控理论体系。

　　2 主要科学问题

　　食品加工过程中组分结构变化与品质功能调控机制研究的技术路线是： 在全面掌握食品加工原料物质基础上， 明晰食品典型加工过程中特征组分多尺度结构、相互作用、关键结构域的变化机制， 揭示新型食品加工技术对品质功能的提升机制，构建食品加工过程中品质功能预测模型，实现典型食品品质功能理性设计、 精准调控与高效制造。 亟待解决的关键科学问题如下：

　　(1)明晰食品品质及功能评价、调控、预测的分子物质基础 构成食品品质质量特征的组分含量、组成、结构是食品品质及功能评价、调控、预测的基础，然而由于食品原料来源多元性、加工过程复杂性， 特征目标指示物及其指纹图谱等信息仍未被系统掌握，食品品质及功能评价、调控、预测的分子物质基础亟待明晰。

　　(2)揭示食品加工过程对特征组分多尺度结构及分子间相互作用的影响机制 食品是由碳水化合物、蛋白质、脂肪和生物活性物质等特征组分经分子(链)、聚集态及分子内和分子间相互聚集而成，具有多尺度结构的复杂体系，其结构特性是构成品质功能的物质基础， 亟待明晰食品加工过程对特征组分结构(分子链结构、聚集行为、单分子组装等)与相互作用(分子间缔合、组装、聚集、化学键合、降解、转化等)的影响及相关机制。

　　(3)明确关键结构(域)与食品品质功能的关联机制 食品加工过程中特征组分形成的关键结构(域)是品质功能优劣的基础，也是品质功能调控的关键， 亟待确定淀粉晶体结构、 蛋白网络结构、纤维网络结构、相界面等食品关键结构(域)形成途径，揭示关键结构(域)与食品品质功能(色香味、质构、营养、功效等)的关联机制。

　　(4)构建食品加工全过程品质功能调控理论体系及平台 食品品质功能预测模型是构建品质功能调控理论体系与平台的基础， 亟待运用大数据分析方法明晰食品加工过程参数 (典型加工条件、典型加工过程和新型加工技术)、组分结构变化 (特征组分多尺度结构、 相互作用及关键结构(域))、品质功能三者之间全数据网络关系，建立碳水化合物、蛋白质、脂质等不同类型食品品质功能预测模型，并进行模型校正、试验验证，构建食品加工全过程组分结构与品质功能调控理论体系与可视化平台， 创制食品加工新工艺技术、 新方法， 实现品质功能导向的现代食品精准调控与高效制造。

　　各关键科学问题间内在联系如图 1 所示。 科学问题 1 的解决需要系统开展食品加工原料物质基础研究，获得特征组分指纹图谱与目标指示物，明确决定食品品质功能的关键组分结构或关键调控酶(通路)，揭示食品原料加工适宜性的分子机制; 解决关键科学问题 2 需要系统开展典型加工条件下组分多尺度结构、组分分子间相互作用，明确加工条件-特征组分结构关联机制;围绕“特征组分结构-品质功能”开展理论与实际研究，分别明确食品典型加工过程中品质功能劣变与保质减损机理， 揭示新型食品加工技术对特征组分结构修饰与品质功能调控机理， 可着重解决科学问题 3; 关键科学问题 1～3 的解决将为明确加工工艺、特征组分结构、 品质功能三者之间的相互影响关系奠定基础;综合“典型加工条件、典型加工过程、新型加工技术”3 个层面的各种关联数据，构建食品组分结构与品质功能过程调控预测模型和理论体系， 并利用各种大数据分析方法建立可视化平台，将最终实现科学问题 4 的突破。——论文作者：王 强 石爱民 刘红芝 刘 丽 胡 晖 杨 颖

文章名称：食品加工过程中组分结构变化与品质功能调控研究进展

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