CN109548986A - 一种复合氨基酸螯合物的制备方法 - Google Patents

一种复合氨基酸螯合物的制备方法 Download PDF

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张剑
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Abstract

本发明公开一种复合氨基酸螯合物的制备方法，包括以下步骤：从棉籽粕中制取复合氨基酸液；向所述复合氨基酸液中加入锰盐，并调节pH值至6.0～8.0，然后在40～60℃下搅拌反应10～30min，得到生成有固形产物的产物溶液；分离出所述产物溶液中的固形产物，用乙醇清洗后干燥，得复合氨基酸与锰的螯合物。本发明以复合氨基酸液作为螯合剂与锰盐进行螯合，通过螯合过程中工艺参数的调控，不仅提高了螯合率，而且复合氨基酸与锰螯合产物中不含有副产物Cl‑、SO4 2‑和NH4 +，副产物Ca2+的含量也较低，从而提高了产品纯度。

Description

一种复合氨基酸螯合物的制备方法
技术领域
本发明涉及饲料添加剂技术领域，特别涉及一种复合氨基酸螯合物的制备方法。
背景技术
锰是动物机体必需的一类微量元素，它是许多酶的结构成分、激活因子或辅助因子，它对动物骨骼的生长发育以及脂肪和碳水化合物的代谢均发挥着极为重要的作用，同时也对动物的繁殖有着一定的影响。
当前我国使用的微量元素(包括锰)大多属于无机盐或简单有机盐形式，在畜禽养殖业，它们所产生的负面作用已远远大于其营养作用，主要体现在：无机金属微量元素本身化学性质不稳定，易氧化、易吸潮、动物吸收率低、畜禽排泄所致环境重金属污染等。研究表明，如能将微量元素的无机盐转化为有机螯合物态则可减少以上负面作用且获得更好效果。目前国内外已有不少关于螯合态微量元素的研究报道，一些研究利用乙二胺四乙酸、2-羟乙基乙二胺三乙酸等螯合剂生产螯合态微量元素，但价格昂贵，在农业生产上大面积推广难以实现。还有一些研究尝试用腐殖酸作为螯合剂来生产螯合态微量元素，虽然降低了成本，但腐植酸含量低且分子量过大，螯合能力又弱，并不理想。而近些年来以蛋白质水解产生的氨基酸作为螯合剂具有价格低廉、稳定常数适中等优点，但目前现有的氨基酸螯合金属微量元素的产物中通常还含有Cl-、SO4 2-、NH4 +等副产物，导致产品纯度较低。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种复合氨基酸螯合物的制备方法，旨在提高复合氨基酸螯合物的产品纯度。
为实现上述目的，本发明提出一种复合氨基酸螯合物，包括以下步骤：
步骤S10、从棉籽粕中制取复合氨基酸液；
步骤S20、向所述复合氨基酸液中加入锰盐，并调节pH值至6.0～8.0，然后在40～60℃下搅拌反应10～30min，得到生成有固形产物的产物溶液；
步骤S30、分离出所述产物溶液中的固形产物，用乙醇清洗后干燥，得复合氨基酸与锰的螯合物。
优选地，步骤S20中：所述锰盐包括氯化锰、硫酸锰和硝酸锰中的至少一种。
优选地，步骤S20中：pH值为6.5～7.5。
优选地，步骤S20中：pH值为7.0。
优选地，步骤S20中：所述搅拌反应的反应温度为45～55℃。
优选地，步骤S20中：所述搅拌反应的反应温度为50℃。
优选地，步骤S20中：所述搅拌反应的反应时间为15～25min。
优选地，步骤S20中：所述搅拌反应的反应时间为20min。
优选地，步骤S20中：所述锰盐中的锰元素与所述复合氨基酸液中的α-氨基氮的摩尔比为1：(1～5)。
优选地，步骤S20中：所述锰盐中的锰元素与所述复合氨基酸液中的α-氨基氮的摩尔比为1：2。
本发明提供的技术方案中，以复合氨基酸液作为螯合剂与锰盐进行螯合，制得复合氨基酸螯合锰的产物，通过螯合过程中工艺参数的调控，不仅提高了螯合率，而且复合氨基酸与锰螯合产物中不含有副产物Cl-、SO4 2-和NH4 +，副产物Ca2+的含量也较低，从而提高了产品纯度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅为本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明提供的复合氨基酸螯合物的制备方法的一实施例的流程示意图；
图2为本发明提供的复合氨基酸螯合物的傅里叶红外光谱仪扫描光谱图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
现有利用氨基酸作为螯合剂制备氨基酸螯合物的方法，多采用单一氨基酸与金属微量元素进行螯合，且制得的螯合物中通常还含有Cl-、SO4 2-、NH4 +等副产物，导致产品纯度较低。为解决上述氨基酸与微量金属元素螯合产物纯度低的问题，本发明提出一种复合氨基酸螯合物的制备方法，采用从棉籽粕中制取的复合氨基酸液作为螯合剂，与锰盐在特定工艺参数条件下进行螯合，提高了螯合物的产品纯度，图1所示为所述复合氨基酸螯合物的制备方法的一实施例。请参阅图1，在本实施例中，所述复合氨基酸螯合物的制备方法包括以下步骤：
步骤S10、从棉籽粕中制取复合氨基酸液；
棉籽粕作为一种较好的蛋白质资源，但是由于其中含有游离棉酚等毒素，使得其在畜牧业的应用受到了限制，而本发明中以棉籽粕作为制取复合氨基酸的原材料，将制取的复合氨基酸作为螯合剂，与含有金属微量元素的无机盐进行螯合制成有机态的复合氨基酸螯合物，用作动物饲料中的微量金属元素添加剂时，更有利于动物体对微量金属元素的吸收，从而对动物的生产性能起到良好的促进作用，同时还实现了棉籽粕资源的充分利用。
在本实施例中，从棉籽粕中制取复合氨基酸液的步骤可以是先将棉籽粕用微生物多菌种协同发酵，所述微生物多菌种包括黑曲霉、米曲霉、酿酒酵母、枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌，在发酵过程中，棉籽粕中的粗纤维和杂多糖得以适当降解，同时在黑曲霉、米曲霉、酿酒酵母、枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌等微生物多菌种分泌的蛋白酶作用下，将棉粕蛋白降解成低聚肽，然后再通过低浓度硫酸催化低聚肽完全水解成为复合氨基酸，最后将水解的复合氨基酸中的杂质去除，即可得到复合氨基酸液，作为制备螯合物的螯合剂。在具体操作时，步骤S10可按以下步骤进行：
步骤S11、将棉籽粕粉碎后与水混合，然后在115～125℃下蒸煮50～70min后冷却，得预处理料；其中，所述棉籽粕选用以棉籽为原料，使用预榨浸出或者直接浸出法去油后所得的新鲜棉籽粕，与等质量的水混合后在115～125℃温度下高蒸煮50～70min，然后自然冷却至室温，得到预处理料。
步骤S12、向所述预处理料中接种黑曲霉、米曲霉和酿酒酵母后，在温度32～35℃、相对湿度84～86％且有氧条件下发酵培养21～24h后，再接种枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌，继续在该有氧条件下培养34～36h，得发酵液；其中，所述黑曲霉、米曲霉、酿酒酵母、枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌的接种量均为所述棉籽粕质量的1％。
步骤S13、向所述发酵液中加入低浓度硫酸溶液，在70～80℃下水解16～20h，然后通过抽滤将得到的水解产物中的杂质去除，多次反复操作至水解产物中不含固体杂质时，得到的棉籽粕水解液即为复合氨基酸液；其中，所述低浓度硫酸溶液的浓度为20～30％，添加量为所述发酵液质量的1～1.2倍，所述水解的温度为所述抽滤的次数以3～4次为佳。
步骤S20、向所述复合氨基酸液中加入锰盐，并调节pH值至6.0～8.0，然后在40～60℃下搅拌反应10～30min，得到生成有固形产物的产物溶液；
将制得的所述复合氨基酸液作为螯合剂，与锰盐混合后在一定的螯合工艺参数条件下进行螯合制成复合氨基酸螯合锰的螯合物，其中，所述锰盐可以选用任一含有锰元素的无机盐，优先选用可溶于水的无机锰盐，在本实施例中，所述锰盐包括氯化锰、硫酸锰和硝酸锰中的至少一种，既可以是上述三种锰盐中的任意一种，也可以是其中两种或三种的混合物，而且相比于选用两种或三种锰盐混合物的实施例，选用单一锰盐的实施例所制备的复合氨基酸螯合物的螯合率更为理想，且在具体实施例中更优选为氯化锰。
在本实施例中，所述螯合工艺参数条件为：螯合体系的pH值为6.0～8.0，螯合温度为40～60℃，螯合时间为10～30min，其中，螯合体系的pH值和螯合温度这两个工艺参数对最终螯合产物的螯合率存在着较大的影响，当螯合体系的pH值和/螯合温度不满足条件时，很可能导致螯合过程失败或者螯合产物的螯合率过低。对于螯合体系的pH值这一参数而言，由于制得的所述复合氨基酸也自身呈一定的酸性，可以通过少量碱性物质(例如氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠等)的添加对pH值进行调节，其pH值在6.0～8.0的范围内均可以实现复合氨基酸与锰的有效螯合，且当pH值在6.5～7.5范围内时，其螯合率更高，进一步地，在pH值为7.0时，其螯合率尤佳；对于螯合温度这一参数而言，其在40～60℃的范围内均可以达到使复合氨基酸与锰有效螯合的效果，且在45～55℃范围内的螯合率更高，进一步地，当螯合温度为55℃时，其螯合率尤佳。
对于螯合时间这一参数而言，其对螯合产物的螯合率影响并不是十分显著，螯合时间在10～30min的范围内任意进行均可，综合考虑螯合时间对工艺过程以及产物螯合率的影响，优选螯合时间为15～25min，既能使螯合产物达到较高的螯合率，也能适当节省能耗和工艺耗时。进一步地，相比较而言，当螯合时间为20min时，其螯合率相对较高。
在螯合过程中，只要螯合体系中同时存在所述复合氨基酸液和所述锰盐，并在上述提供的螯合工艺参数条件下进行螯合，均可成功获得螯合产物，但是考虑到对产物螯合率高低的影响，所述复合氨基酸液与所述锰盐的添加比例不宜过大或过小，其中所述复合氨基酸液和所述锰盐的添加量配比以所述复合氨基酸中的α-氨基氮与所述锰盐中的锰元素的摩尔比为准，当所述锰盐中的锰元素多于所述复合氨基酸液中的α-氨基氮时，所述复合氨基酸液作为螯合剂无法使所述锰盐中锰元素全部螯合生成螯合物，从而容易造成锰盐的浪费，而当所述复合氨基酸中的α-氨基氮相比于所述锰盐中的锰元素的量过大时，对产物螯合率的提升不显著，且容易使α-氨基氮损失过多而造成不必要的浪费。所以，在本实施例中：所述锰盐中的锰元素与所述复合氨基酸液中的α-氨基氮的摩尔比为1：(1～5)，在此配比范围内，螯合产物的螯合率相对较高；进一步地，所述锰盐中的锰元素与所述复合氨基酸液中的α-氨基氮的摩尔比更优选为1：2，在此配比下，所述复合氨基酸与锰的螯合更为彻底，螯合产物的螯合率更高，且基本不会造成所述复合氨基酸液或所述锰盐的不必要浪费。
步骤S30、分离出所述产物溶液中的固形产物，用乙醇清洗后干燥，得复合氨基酸与锰的螯合物。
当螯合完毕后，得到上层为清液、下层为固形物的固液混合产物溶液，然后通过离心、过滤等常规固液分离的方式将上清液和下层固形物分离开，然后用乙醇对收集到的下层固形物进行清洗后干燥，去除表面残留的溶剂，即可得到复合氨基酸与锰的螯合物。在具体操作时，优选为采用离心的方式进行固液分离，具有操作简便、固液分离率高的优点，例如可以在2500～3500r/min转速下离心25～35min，即可彻底将上清液与下层固形物分离；采用乙醇对收集到的固形物进行清洗的步骤可以采用以下方式进行：先采用体积浓度为95％的乙醇溶液将固形物浸泡20～24h后过滤并弃去浸泡液，再采用无水乙醇对固形物进行浸泡，20～24h后过滤并弃去浸泡液，然后重复无水乙醇浸泡处理的步骤3～4次，将最终收集到的固形物在45～55℃的通风干燥箱内干燥至固形物表面残留的乙醇彻底挥发，即得到复合氨基酸与锰的螯合物。
所制得的复合氨基酸螯合物碾碎后取少量样品，经傅里叶红外光谱仪扫描光谱鉴定结果如图2所示，发现：氨基酸中由NH2产生的吸收峰在2958cm-1处，与钙螯合后移至3216cm-1处；1575cm-1、1408cm-1处是氨基酸分子中COO-产生的吸收峰，与锰螯合后分别转移到1600cm-1、1471cm-1；复合氨基酸中的C-N伸缩振动引起的吸收带在1495cm-1处，但在螯合物中此吸收带移至987cm-1处；在指纹区，复合氨基酸在800～700cm-1处出现了几处明显的吸收峰，这是由C-H、N-H振动引起的，但在螯合物中此波段内没有观察到明显的吸收峰，说明氨基酸分子中的氨基和羧基参与了与锰的螯合；此外，在螯合物光谱图中1070cm-1、835cm-1处出现强吸收峰，说明螯合物含有单氧五元环，由此可以推断，本发明制备的复合氨基酸与锰的螯合物的结构如以下结构式(1)所示：
本发明提供的复合氨基酸螯合物的制备方法中，以复合氨基酸液作为螯合剂与锰盐进行螯合，制得复合氨基酸螯合锰的产物，通过螯合过程中温度、pH值、时间这几个工艺参数的调控，不仅提高了螯合率，而且复合氨基酸与锰螯合产物中不含有副产物Cl-、SO4 2-和NH4 +，副产物Ca2+的含量也较低，从而达到了提高产品纯度的目的，所制备的复合氨基酸与锰的螯合物可用于畜禽养殖业的微量元素添加剂，是一种价格低廉、温度常数适中、对动物生产性能具有良好促进作用的饲料添加剂，解决了现有微量元素添加剂存在的产品化学性质不稳定、易氧化、易吸潮、动物吸收率低、畜禽排泄所致环境重金属污染或成本高的问题。
以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
(1)将新鲜棉籽粕粉碎后与等质量的水混合，然后在120℃下蒸煮60min后自然冷却至室温，得预处理料；按照棉籽粕质量的1％，向所述预处理料中接种黑曲霉、米曲霉和酿酒酵母后，在温度34℃、相对湿度85％且有氧条件下发酵培养24h后，再按照相同的接种量接种枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌，继续在该有氧条件下培养34h，得发酵液；按照所述发酵液质量的1.2倍，向所述发酵液中加入浓度为25％的硫酸溶液，在75℃下水解18h，然后通过抽滤将得到的水解产物中的杂质去除，反复操作4次至水解产物中不含固体杂质时，得到的水解液即为复合氨基酸液。
(2)按照锰盐中的锰元素与复合氨基酸中的α-氨基氮的摩尔比为1:2的比例，向步骤(1)制得的复合氨基酸液中加入氯化锰，并通过滴加摩尔浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值至7.0，然后在50℃下搅拌反应20min，得到上层为清液、下层为固形物的产物溶液；
(3)将步骤(2)得到的固液混合产物溶液在3000r/min转速下离心30min，分离获得上清液和下层固形物，将下层固形物用体积浓度为95％的乙醇溶液浸泡24h，然后过滤并弃去浸泡液，再采用无水乙醇浸泡24h后过滤去除浸泡液，重复无水乙醇浸泡处理3次，将最终收到的固形物置于温度设置为50℃的通风干燥箱内烘干至表面残留的乙醇彻底挥发，得到纯化后的螯合产物，即获得复合氨基酸与锰的螯合物。
实施例2
步骤与实施例1相同，不同之处在于，步骤(2)中的螯合体系的pH值为6.5，螯合温度为45℃，螯合时间为15min，锰盐中的锰元素与复合氨基酸中的α-氨基氮的摩尔比为1:1。
实施例3
步骤与实施例1相同，不同之处在于，步骤(2)中的螯合体系的pH值为7.5，螯合温度为55℃，螯合时间为25min，锰盐中的锰元素与复合氨基酸中的α-氨基氮的摩尔比为1:3。
实施例4
步骤与实施例1相同，不同之处在于，步骤(2)中的螯合体系的pH值为6.0，螯合温度为40℃，螯合时间为30min，锰盐中的锰元素与复合氨基酸中的α-氨基氮的摩尔比为1:4。
实施例5
步骤与实施例1相同，不同之处在于，步骤(2)中的螯合体系的pH值为8.0，螯合温度为60℃，螯合时间为10min，锰盐中的锰元素与复合氨基酸中的α-氨基氮的摩尔比为1:5。
实施例6
步骤与实施例1相同，不同之处在于，将步骤(2)中的氯化锰替换为硫酸锰。
实施例7
步骤与实施例1相同，不同之处在于，将步骤(2)中的氯化锰替换为硝酸锰。
实施例8
(1)将新鲜棉籽粕粉碎后与等质量的水混合，然后在115℃下蒸煮70min后自然冷却至室温，得预处理料；按照棉籽粕质量的1％，向所述预处理料中接种黑曲霉、米曲霉和酿酒酵母后，在温度32℃、相对湿度84％且有氧条件下发酵培养21h后，再按照相同的接种量接种枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌，继续在该有氧条件下培养35h，得发酵液；按照所述发酵液质量的1.1倍，向所述发酵液中加入浓度为20％的硫酸溶液，在70℃下水解20h，然后通过抽滤将得到的水解产物中的杂质去除，反复操作5次至水解产物中不含固体杂质时，得到的水解液即为复合氨基酸液。
步骤(2)和步骤(3)与实施例1相同。
实施例9
(1)将新鲜棉籽粕粉碎后与等质量的水混合，然后在125℃下蒸煮50min后自然冷却至室温，得预处理料；按照棉籽粕质量的1％，向所述预处理料中接种黑曲霉、米曲霉和酿酒酵母后，在温度35℃、相对湿度86％且有氧条件下发酵培养23h后，再按照相同的接种量接种枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌，继续在该有氧条件下培养36h，得发酵液；按照所述发酵液质量的1.0倍，向所述发酵液中加入浓度为30％的硫酸溶液，在80℃下水解16h，然后通过抽滤将得到的水解产物中的杂质去除，反复操作4次至水解产物中不含固体杂质时，得到的水解液即为复合氨基酸液。
步骤(2)和步骤(3)与实施例1相同。
分别取上述实施例1至9的步骤(3)中上清液和纯化后的螯合物作为测试对象，测试上清液和螯合物中的NH4+、SO4 -2、Cl-、Ca2+和Mn2+含量，并根据螯合前后上清液中Mn2+的变化量计算螯合物的螯合率，测试方法和结果如下：
一、上清液成分测定
(1)NH4+含量采用氧化镁水蒸气蒸馏法测定，SO4 -2含量采用铬酸钡分光光度法测定，测定结果为两者均未在实施例1至实施例9中的上清液中检测到。
(2)取上清液用微波消解仪消化，消化液冷却至室温后，用纯水定容至25mL，Mn2+含量采用甲醛肟分光光度法测定，测定结果及螯合率计算结果如表1所示。
表1上清液成分测试结果及螯合物的螯合率计算结果
二、纯化后的螯合物成分测定
(1)取一定量的螯合物样品用水溶解后，采用氧化镁水蒸气蒸馏法测定NH4+含量，测定结果为在实施例1至实施例9中的螯合物中检测到有NH4+存在。
(2)取0.1375g螯合物样品，经浓硝酸和30％的H2O2消化后，定容至25mL，采用铬酸钡分光光度法测定SO4 -2含量，采用硝酸银滴定法测定Cl-含量，测试结果为两者均未在实施例1至实施例9中的螯合物中检测到。采用邻甲酚酞络合酮法测定Ca2+含量，检测结果为实施例1至实施例9中螯合物的Ca2+含量约为0.1mg，含量很低。
由上清液和纯化后的螯合物的成分测定及螯合剂计算结果可知，本发明实施例制备的复合氨基酸与锰的螯合物中不含有副产物Cl-、SO4 2-和NH4 +，副产物Ca2+的含量也较低，实现了提高螯合物纯度的目的，同时螯合率可达86.75～90.24％。
此外，由棉籽粕水解液中氨基酸组成与含量的分析可知，棉籽粕水解液中复合氨基酸的平均分子量为128.5g/mol，假设经处理后的水解液中的复合氨基酸的平均分子量维持不变，测定锰在固形螯合产物中的含量为17.08％，锰的相对原子量为54.94g/mol，可推算出固形螯合产物的分子量为321.66g/mol，可推知固形螯合产物中与锰结合的复合氨基酸的个数为2.07，由此，所述锰盐中的锰元素与所述复合氨基酸液中的α-氨基氮得摩尔比最佳为1:2，所制得的复合氨基酸与锰的螯合物的螯合率和纯度较高，与副产物离子的测定结果以及螯合率计算结果一致。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合氨基酸螯合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10、从棉籽粕中制取复合氨基酸液；
步骤S20、向所述复合氨基酸液中加入锰盐，并调节pH值至6.0～8.0，然后在40～60℃下搅拌反应10～30min，得到生成有固形产物的产物溶液；
步骤S30、分离出所述产物溶液中的固形产物，用乙醇清洗后干燥，得复合氨基酸与锰的螯合物。
2.如权利要求1所述的复合氨基酸螯合物的制备方法，其特征在于，步骤S20中：所述锰盐包括氯化锰、硫酸锰和硝酸锰中的至少一种。
3.如权利要求1所述的复合氨基酸螯合物的制备方法，其特征在于，步骤S20中：pH值为6.5～7.5。
4.如权利要求3所述的复合氨基酸螯合物的制备方法，其特征在于，步骤S20中：pH值为7.0。
5.如权利要求1所述的复合氨基酸螯合物的制备方法，其特征在于，步骤S20中：所述搅拌反应的反应温度为45～55℃。
6.如权利要求5所述的复合氨基酸螯合物的制备方法，其特征在于，步骤S20中：所述搅拌反应的反应温度为50℃。
7.如权利要求1所述的复合氨基酸螯合物的制备方法，其特征在于，步骤S20中：所述搅拌反应的反应时间为15～25min。
8.如权利要求7所述的复合氨基酸螯合物的制备方法，其特征在于，步骤S20中：所述搅拌反应的反应时间为20min。
9.如权利要求1所述的复合氨基酸螯合物的制备方法，其特征在于，步骤S20中：所述锰盐中的锰元素与所述复合氨基酸液中的α-氨基氮的摩尔比为1：(1～5)。
10.如权利要求9所述的复合氨基酸螯合物的制备方法，其特征在于，步骤S20中：所述锰盐中的锰元素与所述复合氨基酸液中的α-氨基氮的摩尔比为1：2。
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