CN116333362B - 一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的制备方法和应用 - Google Patents
一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的制备方法和应用,它涉及一种细菌纤维素复合膜的制备方法和应用。本发明的目的是要解决现有细菌纤维素因没有抑菌活性而在食品保鲜领域受到限制和不易被降解的包装材料对人体健康及环境造成严重危害的问题。方法:一、制备紫磷量子点;二、细菌纤维素膜的预处理;三、复合,得到金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜。一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜用于杀灭金黄色葡萄球菌。在光催化条件下,能够实现60min内对金黄色葡萄球菌高效杀灭;本发明制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的物理特性良好,复合薄膜的机械性能、亲水性和保水性良好,适宜应用于包装材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种细菌纤维素复合膜的制备方法和应用。
背景技术
在潜在的天然高分子材料中,细菌纤维素(BC)因天然无毒、良好的机械性能和生物降解性而备受关注。BC是由醋酸菌属、土壤杆菌属、根瘤菌属等需氧细菌合成的纤维素。它的生产成本低,过程条件温和,也不需要使用对环境有害的化学品。但BC没有抑菌活性,使其在食品保鲜领域存在局限性。
发明内容
本发明的目的是要解决现有细菌纤维素因没有抑菌活性而在食品保鲜领域受到限制和不易被降解的包装材料对人体健康及环境造成严重危害的问题,而提供一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的制备方法和应用。
一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的制备方法,具体是按以下步骤完成的:
一、制备紫磷量子点:
首先将紫磷进行研磨,然后将研磨后的紫磷分散到N-甲基吡咯烷酮中,再通过细胞破碎仪破碎,得到悬液;将悬液转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中,再将反应釜置于烘箱中保温,得到反应产物;对反应产物进行离心,取上清液,得到紫磷量子点溶液;
二、细菌纤维素膜的预处理:
将细菌纤维素膜浸入到NaOH溶液中,再水浴加热,取出后冷冻干燥,得到干燥后的细菌纤维素膜;将三聚氯氰溶于四氢呋喃中,得到三聚氯氰溶液;将干燥后的细菌纤维素膜浸入到低温的三聚氯氰溶液中一段时间,取出后清洗,自然风干,得到预处理后的细菌纤维素膜;
三、复合:
将金丝桃素溶于紫磷量子点溶液中,得到混合溶液;将预处理后的细菌纤维素膜浸入到混合溶液中,超声,搅拌,再将细菌纤维素膜取出,冷冻干燥,得到金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜。
一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜用于杀灭金黄色葡萄球菌。
本发明的原理:
一、紫磷(VP)是一种最近被生产的层状的半导体磷的同素异形体,拥有优异的电子和光学特性。与磷的典型同素异形体的黑磷(BP)相似,VP有独特的能带结构,在光下电子容易被激发并跃迁,进一步产生活性氧,供光动力治疗。另外,VP比BP有更高的热分解温度、更强的稳定性和更低的细胞毒性;
二、金丝桃素(Hy)是由金丝桃属的某些物种合成的一种天然化合物。金丝桃素作为天然的光敏物质,在光激发下能产生活性氧,可使某些病毒和细菌失活。然而,它的光动力治疗效果依赖于它的聚集状态,因为Hy不溶于水,在水中会形成不活跃的聚集体,这极大地损失了Hy的光物理性质。因此,调节Hy在水介质中的存在状态和亲水性是光动力治疗的关键;
三、本发明将细菌纤维素膜作为杀菌保鲜膜的基底,通过化学偶联和超声法将金丝桃素和紫磷量子点负载到细菌纤维素膜表面,并应用于光催化抑菌;其中紫磷量子点被锚定在细菌纤维素膜表面,三聚氯氰容易取代金丝桃素和细菌纤维素的羟基上的氢而将二者偶联,解决了金丝桃素水溶性差和低负载量的紫磷量子点杀菌效果不足的问题,同时实现了优化金丝桃素在水中的聚集状态和光催化协同杀菌。
本发明的优点:
一、原材料安全:紫磷有较低细胞毒性和可被人体代谢,金丝桃素为植物天然产物,细菌纤维素是以糖类为原料的细菌代谢产物。总之,该产品拥有无金属元素、安全、环保的特点;
二、合成方法简单:紫磷量子点通过超声破碎和溶剂热反应剥离获得,之后,通过搅拌和超声将紫磷量子点和金丝桃素负载到细菌纤维素上;
三、杀菌效率高:在光催化条件下,能够实现60min内对金黄色葡萄球菌高效杀灭,主要取决于紫磷量子点对金丝桃素对亲水性的调节和紫磷量子点与金丝桃素光催化协同作用;
四、本发明制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的物理特性良好,复合薄膜的机械性能、亲水性和保水性良好,适宜应用于包装材料。
附图说明
图1为实施例1步骤一制备的紫磷量子点的透射电镜图;
图2为实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的扫描电镜图;
图3为实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的杀菌效率图;
图4为实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的杀菌后活死细菌染色图;
图5为实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的机械性能图;
图6为实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的水接触角图;
图7为实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的水蒸气透过率图。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的制备方法,具体是按以下步骤完成的:
一、制备紫磷量子点:
首先将紫磷进行研磨,然后将研磨后的紫磷分散到N-甲基吡咯烷酮中,再通过细胞破碎仪破碎,得到悬液;将悬液转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中,再将反应釜置于烘箱中保温,得到反应产物;对反应产物进行离心,取上清液,得到紫磷量子点溶液;
二、细菌纤维素膜的预处理:
将细菌纤维素膜浸入到NaOH溶液中,再水浴加热,取出后冷冻干燥,得到干燥后的细菌纤维素膜;将三聚氯氰溶于四氢呋喃中,得到三聚氯氰溶液;将干燥后的细菌纤维素膜浸入到低温的三聚氯氰溶液中一段时间,取出后清洗,自然风干,得到预处理后的细菌纤维素膜;
三、复合:
将金丝桃素溶于紫磷量子点溶液中,得到混合溶液;将预处理后的细菌纤维素膜浸入到混合溶液中,超声,搅拌,再将细菌纤维素膜取出,冷冻干燥,得到金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同点是:步骤一中首先将紫磷进行研磨10min~20min,然后将研磨后的紫磷分散到N-甲基吡咯烷酮中,再通过细胞破碎仪破碎5h~6h,得到悬液。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是:步骤一中将悬液转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中,再将反应釜置于温度为150℃~180℃的烘箱中保温18h~24h,得到反应产物;对反应产物进行离心,离心速度为10000r/min~11000r/min,离心时间为15min~20min,取上清液,得到紫磷量子点溶液。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是:步骤一中所述的悬液中紫磷的质量与N-甲基吡咯烷酮的体积比为(5mg~15mg):50mL。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是:步骤二中将细菌纤维素膜浸入到浓度为0.1mol/L~0.15mol/L的NaOH溶液中,再在70℃~90℃下水浴加热0.5h~1h,取出后在-45℃~-55℃下冷冻干燥12h~18h,得到干燥后的细菌纤维素膜。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是:步骤二中所述的三聚氯氰溶液中三聚氯氰的质量与四氢呋喃的体积比为(5g~6g):100mL;步骤二中将三聚氯氰溶于四氢呋喃中,得到三聚氯氰溶液;将干燥后的细菌纤维素膜浸入到2℃~8℃的三聚氯氰溶液中10h~12h,取出后使用四氢呋喃清洗2次~3次,再使用无水乙醇清洗2次~3次,自然风干,得到预处理后的细菌纤维素膜。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是:步骤三中所述的金丝桃素的质量与紫磷量子点溶液的体积比为(3mg~8mg):20mL。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是:步骤三中所述的超声的时间为0.5h~1h,超声的功率为100W~150W;步骤三中所述的搅拌的速度为200r/min~300r/min,搅拌的时间为3h~4h;步骤三中所述的冷冻干燥的温度为-45℃~-55℃,冷冻干燥的时间为12h~18h。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是:一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜用于杀灭金黄色葡萄球菌。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是:一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜用于杀灭金黄色葡萄球菌的方法如下:
将金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜放入菌悬液中,再置于氙灯下照射20~60min,再在37℃下孵育20h~24h,杀灭菌悬液中的金黄色葡萄球菌;
所述的菌悬液中金黄色葡萄球菌的浓度为107~108CFU/mL;
所述的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的面积与菌悬液的体积比为1cm2:1mL;
所述的氙灯的λ>420nm,光强度为200mW·cm-2。其它步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果:
实施例1:一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的制备方法,具体是按以下步骤完成的:
一、制备紫磷量子点:
首先将10mg紫磷进行研磨10min,然后将研磨后的紫磷分散到50mL N-甲基吡咯烷酮中,再通过细胞破碎仪破碎5h,得到悬液;将悬液转移至100mL聚四氟乙烯反应釜内胆中,再将反应釜置于180℃的烘箱中保温24h,得到反应产物;将反应产物转移至离心管中,在离心速度为10000r/min的条件下离心20min,取上清液,得到紫磷量子点溶液;
二、细菌纤维素膜的预处理:
将8cm×8cm的细菌纤维素膜浸入到0.1mol/L的NaOH溶液中,再在80℃的水浴下加热1h,取出后在-50℃下冷冻干燥12h,得到干燥后的细菌纤维素膜;将5.6g三聚氯氰溶于100mL四氢呋喃中,得到三聚氯氰溶液;将干燥后的细菌纤维素膜浸入到4℃的三聚氯氰溶液中12h,取出后首先使用四氢呋喃洗2次,再使用无水乙醇清洗2次,自然风干,得到预处理后的细菌纤维素膜;
三、复合:
将5mg金丝桃素溶于20mL紫磷量子点溶液中,得到混合溶液;将预处理后的细菌纤维素膜浸入到混合溶液中,在超声功率为100W下超声0.5h,再在搅拌速度为250r/min下搅拌3h,再将细菌纤维素膜取出,在-50℃下冷冻干燥12h,得到金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜(Hy-VP-BC)。
实施例1中所述的细菌纤维素膜购买自桂林奇宏科技有限公司。
图1为实施例1步骤一制备的紫磷量子点的透射电镜图;
从图1可知:直径2~3nm的紫磷量子点被成功制备。
图2为实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的扫描电镜图;
从图2可知:实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜在扫描电镜下呈现致密且综合交错的纤维丝状。
应用试验1:
金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus,ATCC 29213)被选为指示菌。所有的器皿和培养基在使用前均经过高温灭活。首先,经过接种画线、细菌增殖、离心洗涤和稀释等操作,得到107-108CFU/mL的菌悬液;之后,将1cm2的实施例1制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜和1mL的菌悬液被放入透明24孔板内。将透明24孔板置于氙灯(λ>420nm,光强度:200mW·cm-2)下照射;从24孔板中取出100μL经不同时间照射(0、20、40、60min)的菌悬液并涂布到LB琼脂平板上,在37℃下孵育24h,抑菌结果见图3所示;
图3为实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的杀菌效率图;
从图3可知:实施例1制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜可以在60min内杀灭107CFU/mL的金黄色葡萄球菌,表明实施例1制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜具有较强的抑菌效率。
应用试验2:
通过STYO 9/PI染料对经光照和实施例1制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜处理后的细菌进行染色,并通过激光共聚焦显微镜观察。其结果如图4所示;
图4为实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的杀菌后活死细菌染色图;
从图4可知:随着光照时间的延长,红色荧光信号逐渐增多,并且绿色荧光逐渐衰弱,表明死亡的细胞逐渐增多。当光照60min时,红色荧光信号占据绝大多数,表明此时绝大多数的细菌已经死亡。因此可以推断,Hy-VP-BC薄膜通过破坏细菌的细胞膜来杀死细菌。
应用试验3:
通过质构仪测试了实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的机械性能,包含断裂伸长率(EB)和拉伸模量(TS),机械性能测试结果如图5所示;
图5为实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的机械性能图;
从图5可知:VP和Hy的负载均提高了拉伸强度。Hy-VP-BC薄膜的断裂伸长率高于其它对照组,表明经修饰后的BC薄膜机械性能得到提升,这有利于提升薄膜在食品包装中的应用。
应用试验4:
采用水接触角仪测定了实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的疏水性,水接触角测试结果见图6所示;
图6为实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的水接触角图;
从图6可知:经VP修饰的Hy-VP-BC薄膜较小的水接触角,这有利于促进杀菌效率。
应用试验5:
本测试测定了实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的水蒸气透过率(WVP)。薄膜被密封在含CaCl2的渗透杯上并放入干燥器中,在不同时间容器被取出称重。WVP由以下公式计算得出:
WVP=(Δm×d)/(S×Δt×Δp);
其中,Δm(g)是重量差,d(mm)是薄膜的厚度,S(m2)是薄膜的渗透面积,Δt(h)是薄膜的渗透时间,Δp(kPa)是薄膜两侧的压力差。
图7为实施例1步骤三制备的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的水蒸气透过率图;
图7中Hy-BC为金丝桃素/细菌纤维素膜,VP-BC为紫磷-细菌纤维素膜。
对比实施例1:金丝桃素/细菌纤维素膜的制备方法,具体是按以下步骤完成的:
一、细菌纤维素膜的预处理:
将8cm×8cm的细菌纤维素膜浸入到0.1mol/L的NaOH溶液中,再在80℃的水浴下加热1h,取出后在-50℃下冷冻干燥12h,得到干燥后的细菌纤维素膜;将5.6g三聚氯氰溶于100mL四氢呋喃中,得到三聚氯氰溶液;将干燥后的细菌纤维素膜浸入到4℃的三聚氯氰溶液中12h,取出后首先使用四氢呋喃洗2次,再使用无水乙醇清洗2次,自然风干,得到预处理后的细菌纤维素膜;
二、复合:
将5mg金丝桃素溶于20mLN-甲基吡咯烷酮中,得到混合溶液;将预处理后的细菌纤维素膜浸入到混合溶液中,在超声功率为100W下超声0.5h,再在搅拌速度为250r/min下搅拌3h,再将细菌纤维素膜取出,在-50℃下冷冻干燥12h,得到金丝桃素/细菌纤维素膜(Hy-BC)。
实施例2:紫磷-细菌纤维素膜的制备方法,具体是按以下步骤完成的:
一、制备紫磷量子点:
首先将10mg紫磷进行研磨10min,然后将研磨后的紫磷分散到50mL N-甲基吡咯烷酮中,再通过细胞破碎仪破碎5h,得到悬液;将悬液转移至100mL聚四氟乙烯反应釜内胆中,再将反应釜置于150℃的烘箱中保温24h,得到反应产物;将反应产物转移至离心管中,在离心速度为10000r/min的条件下离心20min,取上清液,得到紫磷量子点溶液;
二、细菌纤维素膜的预处理:
将8cm×8cm的细菌纤维素膜浸入到0.1mol/L的NaOH溶液中,再在80℃的水浴下加热1h,取出后在-50℃下冷冻干燥12h,得到干燥后的细菌纤维素膜;将5.6g三聚氯氰溶于100mL四氢呋喃中,得到三聚氯氰溶液;将干燥后的细菌纤维素膜浸入到4℃的三聚氯氰溶液中12h,取出后首先使用四氢呋喃洗2次,再使用无水乙醇清洗2次,自然风干,得到预处理后的细菌纤维素膜;
三、复合:
将预处理后的细菌纤维素膜浸入到20mL紫磷量子点溶液中,在超声功率为100W下超声0.5h,再在搅拌速度为250r/min下搅拌3h,再将细菌纤维素膜取出,在-50℃下冷冻干燥12h,得到紫磷-细菌纤维素膜(VP-BC)。
从图7可知:Hy-VP-BC的WVP低于BC,表明复合膜提高了阻水能力。这有利于提高薄膜的保水能力。
Claims (10)
1.一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的制备方法,其特征在于该制备方法具体是按以下步骤完成的:
一、制备紫磷量子点:
首先将紫磷进行研磨,然后将研磨后的紫磷分散到N-甲基吡咯烷酮中,再通过细胞破碎仪破碎,得到悬液;将悬液转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中,再将反应釜置于烘箱中保温,得到反应产物;对反应产物进行离心,取上清液,得到紫磷量子点溶液;
二、细菌纤维素膜的预处理:
将细菌纤维素膜浸入到NaOH溶液中,再水浴加热,取出后冷冻干燥,得到干燥后的细菌纤维素膜;将三聚氯氰溶于四氢呋喃中,得到三聚氯氰溶液;将干燥后的细菌纤维素膜浸入到低温的三聚氯氰溶液中一段时间,取出后清洗,自然风干,得到预处理后的细菌纤维素膜;
三、复合:
将金丝桃素溶于紫磷量子点溶液中,得到混合溶液;将预处理后的细菌纤维素膜浸入到混合溶液中,超声,搅拌,再将细菌纤维素膜取出,冷冻干燥,得到金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜。
2.根据权利要求1所述的一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的制备方法,其特征在于步骤一中首先将紫磷进行研磨10min~20min,然后将研磨后的紫磷分散到N-甲基吡咯烷酮中,再通过细胞破碎仪破碎5h~6h,得到悬液。
3.根据权利要求1所述的一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的制备方法,其特征在于步骤一中将悬液转移至聚四氟乙烯反应釜内胆中,再将反应釜置于温度为150℃~180℃的烘箱中保温18h~24h,得到反应产物;对反应产物进行离心,离心速度为10000r/min~11000r/min,离心时间为15min~20min,取上清液,得到紫磷量子点溶液。
4.根据权利要求1所述的一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的制备方法,其特征在于步骤一中所述的悬液中紫磷的质量与N-甲基吡咯烷酮的体积比为(5mg~15mg):50mL。
5.根据权利要求1所述的一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的制备方法,其特征在于步骤二中将细菌纤维素膜浸入到浓度为0.1mol/L~0.15mol/L的NaOH溶液中,再在70℃~90℃下水浴加热0.5h~1h,取出后在-45℃~-55℃下冷冻干燥12h~18h,得到干燥后的细菌纤维素膜。
6.根据权利要求1所述的一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的制备方法,其特征在于步骤二中所述的三聚氯氰溶液中三聚氯氰的质量与四氢呋喃的体积比为(5g~6g):100mL;步骤二中将三聚氯氰溶于四氢呋喃中,得到三聚氯氰溶液;将干燥后的细菌纤维素膜浸入到2℃~8℃的三聚氯氰溶液中10h~12h,取出后使用四氢呋喃清洗2次~3次,再使用无水乙醇清洗2次~3次,自然风干,得到预处理后的细菌纤维素膜。
7.根据权利要求1所述的一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的制备方法,其特征在于步骤三中所述的金丝桃素的质量与紫磷量子点溶液的体积比为(3mg~8mg):20mL。
8.根据权利要求1所述的一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的制备方法,其特征在于步骤三中所述的超声的时间为0.5h~1h,超声的功率为100W~150W;步骤三中所述的搅拌的速度为200r/min~300r/min,搅拌的时间为3h~4h;步骤三中所述的冷冻干燥的温度为-45℃~-55℃,冷冻干燥的时间为12h~18h。
9.如权利要求1所述的制备方法制备的一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的应用,其特征在于一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜用于杀灭金黄色葡萄球菌。
10.根据权利要求9所述的一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的应用,其特征在于一种金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜用于杀灭金黄色葡萄球菌的方法如下:
将金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜放入菌悬液中,再置于氙灯下照射20~60min,再在37℃下孵育20h~24h,杀灭菌悬液中的金黄色葡萄球菌;
所述的菌悬液中金黄色葡萄球菌的浓度为107~108CFU/mL;
所述的金丝桃素/紫磷量子点/细菌纤维素复合膜的面积与菌悬液的体积比为1cm2:1mL;
所述的氙灯的λ>420nm,光强度为200mW·cm-2。
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GR01 | Patent grant | ||
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