閆 彬,賀銀鳳*
(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)
乳酸菌和酵母菌共同發(fā)酵制品例如酸馬奶酒、牛奶酒、葡萄酒、發(fā)酵乳飲料、酸奶油、奶酪[1]、黃油[2]、酥油[3]、面包等深受世界各地人們喜愛(ài),其中酸馬奶酒在治療肺結(jié)核和胃腸疾病以及降血壓、降血脂等多種醫(yī)療功能方面得到了廣泛的應(yīng)用。乳酸菌與酵母菌對(duì)成品的質(zhì)地、風(fēng)味、生物活性和醫(yī)療功能方面起著不可替代的作用,但是國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)研究二者的共生機(jī)制卻鮮有報(bào)道。因此,研究發(fā)酵制品中乳酸菌與酵母菌的協(xié)同生長(zhǎng)機(jī)理,對(duì)更廣泛的挖掘益生菌的功能具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,并對(duì)發(fā)酵制品行業(yè)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。
普通酸奶發(fā)酵劑是由保加利亞乳桿菌與嗜熱鏈球菌共同制備的,二者之間的共生關(guān)系是保加利亞乳桿菌在乳中代謝生成的氨基酸可以刺激嗜熱鏈球菌的生長(zhǎng),而嗜熱鏈球菌在代謝過(guò)程中產(chǎn)生的甲酸又可以促進(jìn)保加利亞乳桿菌的生長(zhǎng),兩種菌之間的共生作用已被廣泛認(rèn)可。但是目前很少有人研究乳酸菌與酵母菌之間的共生關(guān)系。
開(kāi)菲爾被譽(yù)為神奇的發(fā)酵乳[4],以特殊營(yíng)養(yǎng)和保健功能卓越而著稱(chēng),它是由一種復(fù)雜菌系—開(kāi)菲爾粒子直接發(fā)酵的酒精性發(fā)泡飲料,開(kāi)菲爾粒與普通發(fā)酵乳制品的發(fā)酵劑有明顯區(qū)別,它由多種酵母菌和乳酸菌混合發(fā)酵而成,菌群組成十分復(fù)雜,發(fā)酵后的乳制品中含有大量黏性多糖、少量蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等成分[5]。大多數(shù)酵母菌能夠利用乳中蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖和檸檬酸鹽[1,6],賦予開(kāi)菲爾特殊的酒香味和二氧化碳?xì)怏w,使其具有一般飲料所沒(méi)有的爽口感和風(fēng)味;乳酸菌在發(fā)酵過(guò)程中水解鮮乳中的乳糖、蛋白質(zhì)及脂肪,產(chǎn)生易于吸收的單糖、游離氨基酸和揮發(fā)性脂肪酸,以及多種維生素(VB1、VB6、VB12、葉酸等)[7]。
由于乳酸菌是營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株,有學(xué)者認(rèn)為,乳酸菌與酵母菌之所以能夠在一個(gè)體系中共存,是因?yàn)榻湍妇诎l(fā)酵過(guò)程中為乳酸菌提供了許多營(yíng)養(yǎng)因子例如氨基酸、維生素和丙酮酸鹽等其他物質(zhì)[1],而乳酸菌的代謝產(chǎn)物又為酵母菌提供了能量來(lái)源[8]。在乳酪的生產(chǎn)中,酵母菌不僅分泌出蛋白酶和脂肪酶,分解基質(zhì)產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)乳酸菌的生長(zhǎng),而且還將乳酸菌代謝出的乳酸鹽作為能量物質(zhì)進(jìn)行代謝,產(chǎn)生出芳香物質(zhì)[9-11],促進(jìn)了乳酪的后熟。在自然發(fā)酵乳中,大部分酵母菌不能利用乳糖,但是可以利用半乳糖作為碳源進(jìn)行發(fā)酵。Cheirsilp等[12]研究發(fā)現(xiàn),將乳酸菌與酵母菌混合培養(yǎng)在牛乳中,乳酸菌將乳糖分解為半乳糖和葡萄糖為酵母菌提供碳源,同時(shí)酵母菌通過(guò)利用乳酸鹽促進(jìn)了乳酸菌的生長(zhǎng),但是乳酸菌也有可能會(huì)因?yàn)榻湍妇纸庵井a(chǎn)生出的游離脂肪酸而抑制其生長(zhǎng)[13-14]。
賦予酸奶風(fēng)味的主要物質(zhì)乙醛,是由乳酸菌利用蘇氨酸轉(zhuǎn)化而來(lái)的,但是乳酸菌的水解蛋白和脂肪能力較弱,更傾向于從牛乳蛋白中獲取必需氨基酸[15-16]。Rysstad等[17]假設(shè),如果酵母菌分泌蘇氨酸,則會(huì)使乙醛在乳酸菌與酵母菌混合培養(yǎng)時(shí)的量有所升高。
Tamime等[18]發(fā)現(xiàn)乳酸菌與酵母菌之間存在代謝產(chǎn)物互補(bǔ)機(jī)制,也就是說(shuō)一種菌產(chǎn)生的物質(zhì)會(huì)被另一種菌代謝掉。一個(gè)著名的例子就是乳球菌屬新陳代謝產(chǎn)生的乙醛能夠被明串珠菌屬所利用。
釀酒酵母和乳酸菌都是葡萄酒釀造中的重要微生物,釀酒酵母主要進(jìn)行酒精發(fā)酵,而乳酸菌進(jìn)行蘋(píng)果酸-乳酸發(fā)酵[19]。葡萄酒在酵母泥上成熟期間,酵母的自溶能力明顯影響含氮化合物的濃度,包括氨基酸、縮氨酸、蛋白質(zhì)以及其他大分子物質(zhì)如葡聚糖、吡喃甘露糖等,其釋放濃度與酵母菌種類(lèi)及釀酒工藝有關(guān)[20-21]。將乳酸菌在合成培養(yǎng)基上培養(yǎng), 發(fā)現(xiàn)縮氨酸的分子質(zhì)量<1000D時(shí)對(duì)乳酸菌的增殖有一定的促進(jìn)作用;當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)分子質(zhì)量>5000D時(shí)對(duì)乳酸菌生長(zhǎng)的影響沒(méi)有縮氨酸明顯。酵母泥中的大分子物質(zhì)通過(guò)乙醇提取后,添加在合成培養(yǎng)基上,可以縮短乳酸菌的遲滯期,增加乳酸菌的數(shù)量,原因可能是:酵母大分子物質(zhì)能誘導(dǎo)乳酸菌中氨基肽酶的合成,使氨基酸及小分子縮氨酸含量增加,從而促進(jìn)乳酸菌的生長(zhǎng);另外酒精發(fā)酵或酵母自溶產(chǎn)生的吡喃甘露糖可以吸收中鏈脂肪酸,解除其對(duì)乳酸菌的毒害作用,還可能增加乳酸菌的α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、N-乙?;?葡萄糖脫水酶及肽酶的活性,使培養(yǎng)基的營(yíng)養(yǎng)豐富,間接地促進(jìn)乳酸菌的生長(zhǎng)[22]。
釀酒酵母的生理特性如蛋白酶活性、大分子物質(zhì)生成及自溶量等,都可能對(duì)乳酸菌的生長(zhǎng)及蘋(píng)果酸-乳酸發(fā)酵起促進(jìn)作用,因此添加酵母提取物對(duì)乳酸菌的生長(zhǎng)和代謝活性有一定的促進(jìn)作用,但關(guān)于這方面研究的資料很少。
Alvarez-Martin等[23]將屬于8個(gè)不同種的12株酵母菌和屬于3個(gè)不同種的4株乳酸菌單獨(dú)和混合培養(yǎng)在UHT高溫滅菌乳中研究了乳酸菌與酵母菌的相互作用關(guān)系。結(jié)果顯示,4株乳酸菌與12株酵母菌混菌培養(yǎng)的36個(gè)組合中,有15個(gè)組合的乳酸菌活菌數(shù)顯著高于單菌培養(yǎng)的活菌數(shù)(P≤0.01),其中,大部分酵母菌都促進(jìn)了乳酸菌L2BA1的生長(zhǎng);相反,乳酸菌LVI-19和LWg2在與酵母菌Candida famata、D. hansenii、Kluyveromyces lactis和Pichia membranifaciens培養(yǎng)時(shí),兩種乳酸菌的生長(zhǎng)受到了抑制。同時(shí),在此36個(gè)混菌培養(yǎng)的組合中,3株酵母菌G. candidum 3AM4、G. candidum 3AM9和K. lactis 3AD10的活菌數(shù)顯著高于單菌培養(yǎng)的活菌數(shù)(P≤0.01);酵母菌C. pararugosa 3AD19的生長(zhǎng)略有促進(jìn);酵母菌C. famata 2BD10、 G. candidum 3AM9、P.fermentans 3AD16和 P. membranifaciens 1AD8在與乳酸菌L2BC7混合培養(yǎng)時(shí)其活菌數(shù)與單菌培養(yǎng)比較略有抑制,而與乳酸菌L2BC7 和LVI-19混合培養(yǎng)時(shí),其生長(zhǎng)受到了顯著的抑制(P≤0.01)。
有研究顯示,乳酸菌與酵母菌混合發(fā)酵制品與純?nèi)樗峋l(fā)酵的制品相比,某些特定代謝產(chǎn)物產(chǎn)生的量有所不同[24]。例如,乙醛、麥芽風(fēng)味物質(zhì)(2-甲基正丁醛、3-甲基正丁醛、2-甲基丙醇、2-甲基丁醇)在酵母菌的存在下,高濃度的麥芽風(fēng)味物質(zhì)的存在意味著有更多的乙醛轉(zhuǎn)化為乙醇。Gadaga等[25]利用從津巴布韋自然發(fā)酵乳中分離出的9株酵母菌和4株乳酸菌進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)乳酸菌與酵母菌混合培養(yǎng)在UHT乳中與單獨(dú)培養(yǎng)在UHT乳中相比,前者產(chǎn)生出的乙醛、麥芽芳香物質(zhì)(3-甲基正丁醛等)、乙醇明顯比后者多,暗示了兩種菌之間的相互作用關(guān)系。乳酸菌可以通過(guò)丙酮酸鹽裂解酶將丙酮酸鹽轉(zhuǎn)化為甲酸鹽,或者將檸檬酸鹽分解為甲酸鹽、乙酸鹽、乳酸鹽、雙乙酰、乙酰甲基原醇、2,3-丁二醇等芳香物質(zhì)[26];同時(shí)酵母菌負(fù)責(zé)產(chǎn)生大量的麥芽風(fēng)味物質(zhì)[23]。
Gobbetti等[27]在MRS培養(yǎng)基中通過(guò)添加4種不同碳源(麥芽糖、蔗糖、葡萄糖、果糖)來(lái)研究?jī)芍杲湍妇c兩株乳酸菌之間的相互作用。結(jié)果顯示,在添加了蔗糖的MRS培養(yǎng)基中,雙菌培養(yǎng)的乳酸菌活菌數(shù)明顯高于單菌培養(yǎng)的活菌數(shù),作者通過(guò)蔗糖分解的動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)分析其原因是酵母菌可以將蔗糖分解為葡萄糖和果糖為乳酸菌提供穩(wěn)定的碳源。
Graves等[28]在玉米糊培養(yǎng)基中按梯度添加乳酸和乙酸,設(shè)置3個(gè)溫度(30、34、37℃),結(jié)果顯示溫度越高,對(duì)酵母菌產(chǎn)乙醇的抑制作用越強(qiáng)??赡苁怯捎诮湍妇w在高溫環(huán)境中由于細(xì)胞膜中磷脂流動(dòng)性降低而不能維持最佳的細(xì)胞活性而導(dǎo)致發(fā)酵效率降低[29-31]。Abbott等[32]同樣在玉米糊培養(yǎng)基中培養(yǎng)酵母菌,由于玉米糊這類(lèi)培養(yǎng)基的基質(zhì)物質(zhì)較多,所以其緩沖能力較強(qiáng),會(huì)促進(jìn)酵母菌體的生長(zhǎng),尤其是當(dāng)酵母菌暴露在一個(gè)特定的酸性和高溫環(huán)境下,存在于培養(yǎng)基中的各種復(fù)雜成分例如酵母菌的代謝產(chǎn)物和蛋白胨等會(huì)降低外界高滲透壓和高溫對(duì)酵母菌造成的不利影響[33],而且一種適應(yīng)反應(yīng)機(jī)制被激活,促使酵母菌增強(qiáng)對(duì)外界壓力的防御能力,這種現(xiàn)象被稱(chēng)為交叉保護(hù)[34]。因此對(duì)于暴露在一定量的乳酸與乙酸環(huán)境中的酵母菌來(lái)講,某種特殊的物質(zhì)被引導(dǎo)合成用來(lái)保護(hù)酵母菌體。而且,若添加乙酸的量適宜,則會(huì)促進(jìn)酵母菌發(fā)酵產(chǎn)醇,Graves等[35]玉米糊中添加了少量的乙酸(0.2g/100mL),結(jié)果顯示酵母菌產(chǎn)乙醇的效率提高了,產(chǎn)量也有所增加。
群體感應(yīng)(Quorum sensing,QS)也稱(chēng)為自誘導(dǎo),最初是指細(xì)菌調(diào)節(jié)自身菌體密度的一種環(huán)境感應(yīng)系統(tǒng)[36]。通過(guò)擴(kuò)散性信號(hào)小分子(又稱(chēng)為自誘導(dǎo)物) 與轉(zhuǎn)錄活化蛋白的相互作用而打開(kāi)與細(xì)胞群體密度有關(guān)的基因表達(dá)。這些信號(hào)分子從細(xì)菌細(xì)胞擴(kuò)散到環(huán)境中,一旦達(dá)到一個(gè)臨界濃度(或者說(shuō)達(dá)到某一特定的群體密度),這些信號(hào)分子就可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)一系列目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄[37]。群體感應(yīng)可以使細(xì)菌在其生長(zhǎng)的特定環(huán)境中調(diào)節(jié)其生命活動(dòng),每種群體感應(yīng)系統(tǒng)都能使細(xì)菌對(duì)其他細(xì)菌的存在做出反應(yīng),從而調(diào)整自身的生命活動(dòng)。群體感應(yīng)調(diào)節(jié)能使一個(gè)群體中每個(gè)細(xì)胞協(xié)同作用,成為一個(gè)多細(xì)胞整體[38]。
已經(jīng)有多種微生物相關(guān)的化學(xué)信號(hào)分子被發(fā)現(xiàn),這些物質(zhì)大體可分為兩類(lèi):一類(lèi)是氨基酸和短肽類(lèi),主要作用于革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌[39-41];另一類(lèi)是脂肪類(lèi)的衍生物,主要作用于革蘭氏陰性細(xì)菌。 信號(hào)分子(自誘導(dǎo)物)的產(chǎn)生是一個(gè)和環(huán)境因素直接相關(guān)的過(guò)程,如溫度和碳源種類(lèi)對(duì)信號(hào)分子產(chǎn)生的水平有動(dòng)態(tài)的影響。群體感應(yīng)和營(yíng)養(yǎng)饑餓顯然是相關(guān)的,饑餓和細(xì)胞密度決定了細(xì)菌是否進(jìn)入穩(wěn)定生長(zhǎng)期[42]。植物根際細(xì)菌Ralstonia solanacearum 產(chǎn)生AHL 需要一種σs因子,該因子在饑餓條件下活性最高[43]。不少研究者都采用最低營(yíng)養(yǎng)水平的基質(zhì)來(lái)促使QS信號(hào)分子的產(chǎn)生。QS分子的產(chǎn)生大多出現(xiàn)在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期或穩(wěn)定生長(zhǎng)初期[44-45]。
Guerzoni等[46]通過(guò)改變培養(yǎng)環(huán)境來(lái)研究乳酸菌與酵母菌之間的互作關(guān)系。他們?cè)谛←湻鬯庖号囵B(yǎng)基中分別用乳酸調(diào)成酸度為pH 3.6的高酸環(huán)境,添加5mmol/L H2O2作為高氧環(huán)境,以及質(zhì)量濃度40g/100mL的蔗糖調(diào)節(jié)成高滲透壓環(huán)境,以純小麥水解液為對(duì)照,來(lái)探討乳酸菌與酵母菌單獨(dú)培養(yǎng)和混合培養(yǎng)時(shí)產(chǎn)生乙醇及芳香物質(zhì)的差異。結(jié)果顯示,乳酸菌在高氧環(huán)境產(chǎn)出了較多的γ-癸內(nèi)酯,2(5H)-呋喃酮和乙醛;在高酸環(huán)境下,不論是在乳酸菌與酵母菌單獨(dú)培養(yǎng)基中還是混合培養(yǎng)的培養(yǎng)基中都發(fā)現(xiàn)了乙酸、異戊酸的積累以及較多的乙醇,而且還發(fā)現(xiàn)酵母菌在高酸、高氧這種壓力環(huán)境下會(huì)分泌出長(zhǎng)鏈不飽和脂肪酸酯,這種現(xiàn)象可以看作是酵母菌體的自我保護(hù)機(jī)制,而有的學(xué)者則認(rèn)為酵母菌分泌的這種不飽和脂肪酸酯可以看作是其在特定環(huán)境下釋放的信號(hào)分子[47]。那么如此說(shuō)來(lái),在研究乳酸菌與酵母菌之間的作用機(jī)制時(shí),就可以以這種信號(hào)分子為標(biāo)志,通過(guò)測(cè)量其代謝產(chǎn)物(乙醇等)與對(duì)照樣品相比較來(lái)觀(guān)察二者之間的促生作用。同樣,乳酸菌在高氧環(huán)境下分泌的2(5H)-呋喃酮,酵母菌和乳酸菌在高酸環(huán)境下分泌的異戊酸,都可以將其看成為信號(hào)分子。Losel等[48]報(bào)道了在研究雙孢蘑菇休眠時(shí),其釋放的異戊酸就起著信號(hào)分子的作用。盡管這類(lèi)種內(nèi)和種間信號(hào)分子釋放的分析尚不全面,但通過(guò)研究在特定壓力環(huán)境下菌體分泌的代謝產(chǎn)物,有助于更好的了解乳酸菌與酵母菌之間的共生機(jī)制。
Erasmus等[49]曾認(rèn)為微生物菌體若在發(fā)酵過(guò)程中處于某種壓力環(huán)境下,那么其在轉(zhuǎn)錄時(shí)成百個(gè)隱性基因會(huì)被誘導(dǎo)為顯性基因表達(dá)出來(lái)。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的革新,生物芯片技術(shù)為我們提供了強(qiáng)有力的工具,Maligoy等[50]就在轉(zhuǎn)錄水平上研究了乳酸菌與酵母菌混合培養(yǎng)時(shí)乳酸菌菌體中表達(dá)基因的變化。盡管在乳酸菌單獨(dú)培養(yǎng)和與酵母菌混合培養(yǎng)的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)上未發(fā)現(xiàn)明顯變化,但是在混合培養(yǎng)中乳酸菌的信使RNA水平上的158個(gè)重要基因發(fā)生了明顯的調(diào)整,和乳酸菌單獨(dú)培養(yǎng)相比,乳酸菌與酵母菌混合培養(yǎng)時(shí)信使RNA水平上有54%的基因消失,同時(shí)增加了46%的基因,這些重要的基因負(fù)責(zé)多種新陳代謝途徑,例如氨基酸的生物合成,能量的新陳代謝,嘌呤嘧啶的新陳代謝、調(diào)節(jié)、翻譯功能,運(yùn)輸攜帶蛋白功能等。像調(diào)節(jié)能量新陳代謝的基因和調(diào)節(jié)嘌呤、嘧啶、核苷酸新陳代謝的基因變化較大,尤其是負(fù)責(zé)代謝嘧啶基因的再定位,其生物合成途徑的8個(gè)隱性基因控制6個(gè)酶促反應(yīng),其中6個(gè)基因(carA、carB、pydB、pyrB、pyrC、pyrE)負(fù)責(zé)嘧啶的生物合成,兩個(gè)基因(pyrZ、rmlB)負(fù)責(zé)嘧啶的新陳代謝,且這8個(gè)基因比例較低。而顯性基因pyrG、purL和deoD的比例要高于單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)的基因比例,其中pyrG負(fù)責(zé)三磷酸尿苷轉(zhuǎn)化為三磷酸胞苷的酶催化反應(yīng)。由此可以看出,混合培養(yǎng)時(shí)由于負(fù)責(zé)代謝嘧啶的隱性基因比例很低,所以導(dǎo)致三磷酸胞苷合成減少,因此促使pyrG基因的表達(dá)比例提高。究其原因,根據(jù)DNA芯片技術(shù)的結(jié)果可以推斷出可能是由于在混合培養(yǎng)時(shí)酵母菌產(chǎn)生的乙醇導(dǎo)致carB、pydB、pyrE和pyrR基因表達(dá)水平的降低,暗示出在混合培養(yǎng)時(shí)乙醇的積累是導(dǎo)致乳酸菌mRNA水平上負(fù)責(zé)各種新陳代謝途徑(像糖代謝、氨基酸合成等)的功能基因變化的主要原因。因此,酵母菌產(chǎn)乙醇的量可以作為研究乳酸菌與酵母菌種間關(guān)系的主要指標(biāo)(表1)。
表1 乳酸菌單獨(dú)培養(yǎng)與乳酸菌和酵母菌混合培養(yǎng)時(shí)mRNA水平上的比較Table 1 Comparison between single culture and co-culture of lactic acid bacteria and yeasts at mRNA level
乳酸菌和酵母菌共同發(fā)酵制品是國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在乳制品、飲料、面食品等發(fā)酵制品中得到了很好的應(yīng)用,顯現(xiàn)出神奇的作用。在產(chǎn)品的風(fēng)味、口感、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及生理功能等方面優(yōu)于任何單一種類(lèi)菌的發(fā)酵產(chǎn)品[51-57]。
通過(guò)以?xún)?nèi)蒙古傳統(tǒng)乳制品中特定微生物為基點(diǎn),利用PCR-DGGE、FISH技術(shù)研究民族乳制品中微生物群落結(jié)構(gòu)和多態(tài)性,探討乳酸菌和酵母菌共生過(guò)程中生物信號(hào)系統(tǒng),摸清乳酸菌與酵母菌之間互生關(guān)系及其調(diào)控機(jī)理,挖掘千百年來(lái)自然形成的微生物“團(tuán)隊(duì)”的耐粗放、抗雜菌及醫(yī)療保健功效的作用,具有非常深遠(yuǎn)的意義;提出個(gè)性互生機(jī)理與共性互生機(jī)理的應(yīng)用前景,將為內(nèi)蒙古乳制品中菌種資源庫(kù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供理論依據(jù)。
盡管?chē)?guó)內(nèi)外關(guān)于乳酸菌與酵母菌共生機(jī)理的相關(guān)報(bào)道還很少,但是相信隨著分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)的飛速發(fā)展,16S rRNA基因序列分析,限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性(RFLP)、熒光原位雜交技術(shù)(FISH)等一些技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)在研究環(huán)境中微生物生態(tài)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、功能的分子機(jī)理以及微生物之間相互關(guān)系等方面顯示出巨大的潛力,也將對(duì)我們深入研究二者的共生機(jī)理提供出新的思路和方法,從而為今后開(kāi)發(fā)和研制出更多發(fā)酵制品提供重要的科學(xué)依據(jù),并給發(fā)酵制品工業(yè)化的生產(chǎn)與發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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