CN118027228A - 一种双歧杆菌胞外多糖及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种保藏编号为CCTCC NO:M 2021048的动物双歧杆菌乳亚种SF(Bifidobacterium animalis SF)的胞外多糖,并提供了该胞外多糖在调节肠道菌群中的用途。本发明提供了该胞外多糖可通过增加Faecalibacterium,Anaerostipes和Bifidobacterium的相对丰度,降低Enterobacter和klebsiella的相对丰度来调节肠道菌群组成。此外,该胞外多糖还可提高肠道菌群产短链脂肪酸的能力。因此,本发明所述的动物双歧杆菌乳亚种SF所产的胞外多糖有潜力在功能食品中用作益生元,增强肠道健康,并为工业化食品生产提供天然成分。
Description
技术领域
本发明涉及生物技术领域,具体涉及一种双歧杆菌胞外多糖及其应用。
背景技术
胞外多糖(exopolysaccharides,EPS)是微生物在生长和代谢过程中分泌到细胞外的一种糖类化合物,是微生物的重要代谢物。具有相同单糖组成的EPS被归类为均多糖(HoPS)。相反,杂多糖(HePS)是由两种或两种以上的单糖组成的。EPS的结构和功能密切相关,不同细菌生成的EPS具有不同的结构,化学组成、分子量、单糖组成及摩尔比、单糖残基之间的构型、侧链分支均存在着差异。EPS结构的不同使得其理化特性各异,从而造就了功能的差异。现有的研究表明,EPS具有抗氧化、抗肿瘤、增强免疫力、降低胆固醇等生理功能,并能保护益生菌通过胃肠道胁迫环境从而促进益生菌在宿主肠道内定植。
双歧杆菌是人类和动物肠道菌群中的一种天然菌群,已被广泛报道在宿主健康中发挥重要作用,例如调节肠道微生物,抑制感染肠道粘液的病原体和有害细菌,以及调节局部和系统的免疫反应。因此,它们可以作为益生菌在食品工业中发挥有益的作用。大多数双歧杆菌都产生HePS。其中,D-葡萄糖和D-半乳糖是双歧杆菌EPS的主要构成单糖。然而,有关双歧杆菌EPS益生功能的利用很少,目前的研究主要集中在EPS产生菌的筛选和培养条件的优化以提高EPS产量。
因此,需要利用双歧杆菌的益生特性开发一种能够改善肠道菌群环境胞外多糖。
发明内容
本发明旨在提供一种双歧杆菌胞外多糖及其应用,所述胞外多糖是一种全新的双歧杆菌胞外多糖,是由动物双歧杆菌乳亚种SF(Bifidobacterium animalis SF)合成的杂多糖,利用双歧杆菌EPS益生功能,具有卓越的生物活性。
第一方面,本发明提供一种双歧杆菌胞外多糖,所述胞外多糖通过双歧杆菌乳亚种SF发酵制得;所述双歧杆菌乳亚种SF的拉丁学名为Bifidobacterium animalis,保藏编号为CCTCC NO:M 2021048。
可选地,所述胞外多糖的重均分子量为(4.81±0.25)×104Da;数均分子量为(3.25±0.16)×104Da。
可选地,所述胞外多糖的单糖组分包括摩尔比为(4.02±0.05)∶(1.91±0.05)∶(1.02±0.05)∶(1.0±0.05)的葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖和甘露糖。
可选地,所述胞外多糖中包括浓度为0.01-0.03mol%的葡萄糖醛酸。
可选地,所述胞外多糖呈现不规则片状结构。
第二方面,本发明提供所述胞外多糖在制备调节肠道菌群的产品中的应用。
可选地,所述应用中产品包括药品、保健品、食品。
可选地,所述食品包括乳制品、饮料制品和奶类发酵制品。
可选地,所述保健品包括液体状保健品、颗粒状保健品、粉末状保健品、胶囊保健品和片状保健品。
可选地,所述应用在作用时包括调节肠道菌群的组成、调节肠道菌群的结构、促进肠道微生物产生短链脂肪酸中至少一种。
可选地,调节肠道菌群的组成和结构包括通过增加Faecalibacterium,Anaerostipes和Bifidobacterium的相对丰度,降低Enterobacter和klebsiella的相对丰度来调节。
本发明生物保藏信息
动物双歧杆菌乳亚种SF(Bifidobacterium animalis SF),拉丁学名为Bifidobacterium animalis,保藏于中国典型培养物保藏中心(CCTCC),保藏日期:2021年1月12日,地址为武汉市武汉大学,保藏编号为:CCTCC NO:M 2021048。
本发明具备的有益效果包括:
(1)本发明通过动物双歧杆菌乳亚种SF(Bifidobacterium animalis SF)制备一种双歧杆菌胞外多糖SF-EPS,提供一种新的胞外多糖的生产方式;
(2)本发明制备的双歧杆菌胞外多糖SF-EPS,能够调节肠道菌群的结构、组成,促进肠道产生短链脂肪酸,从而促进肠道的健康;
(3)本发明提供的双歧杆菌胞外多糖SF-EPS能够用作功能性食品和保健品中的一种天然性成分,具有良好的应用前景。
附图说明
图1是实施例1中制备的胞外多糖SF-EPS的表征;图1中的a为SF-EPS的HPGPC色谱图,图1中的b为TFA水解后SF-EPS与混合标准品的离子色谱图,图1中的c为SF-EPS的紫外光谱图,图1中的d为SF-EPS的傅立叶变换红外光谱,图1中的e为SF-EPS的扫描电镜图像;
图2是实施例2中的SF-EPS对肠道微生物组成在OUT水平影响的分析;图2中的a为微生物区系在OTU水平上的稀疏度曲线,图2中的b为微生物区系在OTU水平上的PCoA分析图,图2中的c为微生物区系的α多样性指数,图2中的d为OTU水平上的韦恩图;
图3为门水平上细菌的相对丰度差异;
图4为属水平上细菌的相对丰度差异;
图5为通过BugBase预测的两组微生物表型差异图;
图6为基于LEfSe的SF-EPS组和对照组肠道菌群比较;
图7为细菌的各个物种的网络图;
图8为EPS组和Control组的KEGG代谢途径差异分析;
图9是动物双歧杆菌乳亚种SF胞外多糖(SF-EPS)对肠道微生物产短链脂肪酸影响的验证;图9中的a为人粪便微生物发酵体外过程中发酵液PH值的变化,图9中的b为人粪便微生物发酵体外过程中发酵产物含量的动态变化,图9中的c为发酵过程中发酵上清液中总SCFAs的动态变化,图9中的d、e、f分别为发酵过程中发酵上清液中乙酸、丙酸和丁酸的动态变化。
具体实施方式
本发明将结合说明书附图,通过以下实施例作进一步说明。
第一方面,本发明实施例提供一种双歧杆菌胞外多糖,所述胞外多糖通过双歧杆菌乳亚种SF发酵制得;所述双歧杆菌乳亚种SF的拉丁学名为Bifidobacterium animalis,保藏编号为CCTCC NO:M 2021048。
一些实施例中,所述胞外多糖的重均分子量为(4.81±0.25)×104Da;数均分子量为(3.25±0.16)×104Da。
一些实施例中,所述胞外多糖的单糖组分包括摩尔比为(4.02±0.05):(1.91±0.05):(1.02±0.05):(1.0±0.05)的葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖和甘露糖。
具体的,所述胞外多糖中包括浓度为0.01-0.03mol%的葡萄糖醛酸。
具体的,所述胞外多糖呈现不规则片状结构。
第二方面,本发明实施例提供所述胞外多糖在制备调节肠道菌群的产品中的应用。
一些实施例中,所述应用中产品包括药品、保健品、食品。
具体的,所述食品包括乳制品、饮料制品和奶类发酵制品。
具体的,所述保健品包括液体状保健品、颗粒状保健品、粉末状保健品、胶囊保健品和片状保健品。
一些实施例中,所述应用在作用时包括调节肠道菌群的组成、调节肠道菌群的结构、促进肠道微生物产生短链脂肪酸中至少一种。
具体的,调节肠道菌群的组成和结构包括通过增加Faecalibacterium,Anaerostipes和Bifidobacterium的相对丰度,降低Enterobacter和klebsiella的相对丰度来调节。
本发明生物保藏信息
动物双歧杆菌乳亚种SF(Bifidobacterium animalis SF),拉丁学名为Bifidobacterium animalis,保藏于中国典型培养物保藏中心(CCTCC),保藏日期:2021年1月12日,地址为武汉市武汉大学,保藏编号为:CCTCC NO:M 2021048;本发明使用的动物双歧杆菌乳亚种SF已在申请号为CN202210681663.9的专利中公开。
本发明实施例中所用双歧杆菌BS培养基、试剂、试剂盒均为市售。
实施例1
本发明实施例1提供一种动物双歧杆菌乳亚种SF制备胞外多糖SF-EPS的方法,包括以下步骤:
S1、将活化后的动物双歧杆菌乳亚种SF菌株以1%的接种量,接种于双歧杆菌BS培养基(上海康朗生物科技有限公司)中,37℃厌氧条件下,发酵培养24h,得到发酵液;
S2、将发酵液在4000×g离心10min除去细菌细胞,取上清液加入3倍体积的无水乙醇,4℃静置12h;
S3、静置完成后,4℃,8000×g,离心20min,取沉淀于5mL蒸馏水中复溶;
S4、加入sevage试剂(氯仿:正丁醇体积比为4:1,西陇科学股份有限公司),4℃,8,000×g,离心10min,去除蛋白质,取上清液;上清液中加入无水乙醇(西陇科学股份有限公司)进行沉淀,得到的沉淀物为粗SF-EPS;
S6、将粗SF-EPS溶于Tris-HCl和MgSO4·7H2O的混合液中,pH为7.5,Tris-HCl终浓度为50mmoL/L,MgSO4·7H2O终浓度为10mmoL/L,混合液中EPS的终浓度为5mg/mL;
S7、在EPS悬液中加入重组DNase I溶液(最终浓度为2.5mg/mL,宝日医生物技术有限公司),37℃,反应6h以去除核酸;反应完成后,加入蛋白酶K溶液(最终浓度为5mg/mL,碧云天生物技术有限公司),在37℃下处理18h,按12%(质量/体积=12%)加入三氯乙酸(TCA,上海阿拉丁生化科技股份有限公司),25℃,反应30min;
S8、反应完成后,10,000r/min,离心20min后,收集上清液,用10mmol/LNaOH调节pH值至4.0-5.0;4℃,使用8,000~14,000Da透析袋透析72h;
S9、透析完成后,使用真空冷冻干燥得到纯化的双歧杆菌胞外多糖SF-EPS。
性质测试
1.实施例1中制得的胞外多糖SF-EPS的表征:
(1)高效凝胶渗透色谱(HPGPC)系统测定SF-EPS的相对分子质量(MW)和数均相对分子质量(MN),用葡聚糖标准品建立标准曲线,具体参数包括:
色谱柱为BRT105-104-102,凝胶柱为BRT105-104-102(8×300mm),用0.05mol/LNaCl溶液洗脱,流速为0.6mL/min;色谱柱和RI检测器的温度保持在40℃;测定结果如图1中的a所示,数据如表1所示。
(2)离子色谱仪(IC)测定单糖组成:
以各单糖为标准,包括岩藻糖(Fuc)、半乳糖胺盐酸盐(GalN)、鼠李糖(Rha)、阿拉伯糖(Ara)、氨基葡萄糖(GlcN)、半乳糖(Gal)、葡萄糖(GLC)、木糖(Xyl)、甘露糖(Man)、果糖(Fru)、核糖(Rib)、半乳糖醛酸(Gala)、古糖醛酸(Gula)、葡萄糖醛酸(Glca)和甘露糖(Mana);
将5mg SF-EPS加入至2mL浓度为3mol/L的三氟乙酸(TFA)中,120℃,水解3h;水解完成后,残留的TFA使用压缩空气吹干;
用超纯水溶解水解液,使用孔径为0.22μm的滤膜过滤后,进入离子色谱仪进行测定,具体参数包括:
色谱柱为Dionex CarbopacTM PA20(3×150mm);流动相为超纯水、15mmoL/L NaOH和100mmoL/L NaOAC,流速0.3mL/min;柱温维持在30℃;
单糖测定结果如图1中的b所示,数据如表1所示。
(3)紫外光谱Cary 3500分光光度计测定紫外光谱:
将SF-EPS配置为浓度为0.1mg/mL的溶液,扫描波长为190-550nm,结果如图1中的c所示。
(4)傅立叶变换红外光谱测定结构
傅立叶变换红外光谱分析采用KBr小球法,在4,000-400em-1的波数范围内记录,结果如图1中的d所示。
(5)扫描电子显微镜(SEM)观察形态特征:
使用扫描电子显微镜观察不同放大倍数下观察SF-EPS的微观形态,结果如图1中的e所示。
表1.SF-EPS理化性质
成分 | 含量 |
主要成分(%,w/w) | |
含水量 | 0.16±0.13 |
蛋白质 | ND |
总碳水化合物 | 98.47±1.50 |
单糖组成(mol%) | |
葡萄糖 | 48.6±0.09 |
半乳糖 | 23.1±0.04 |
阿拉伯糖 | 12.3±0.03 |
甘露糖 | 12.1±0.02 |
葡萄糖酸 | 0.02±0.01 |
重均分子量(×104Da) | 4.81±0.25 |
数均分子量(×104Da) | 3.25±0.16 |
分散指数(MW/MN) | 1.48±0.01 |
2.实施例1中制得的胞外多糖SF-EPS对肠道菌群影响的验证:
(1)SF-EPS对肠道菌群结构的调节:
将2mL浓度为20mg/mL的SF-EPS溶液与2mL粪便接种物,6mL发酵培养基混合,作为EPS组;
将2mL无菌PBS溶液与2mL粪便接种物,6mL发酵培养基混合,作为对照组(Control组);
将EPS组和Control组在厌氧手套箱中发酵36h后取出;取出后在4℃,8000rpm/min,离心10min,得到不同组发酵36h的上清液,即发酵样品,Control组取4个平行样本,分别为C1、C2、C3、C4;EPS组取4个平行样本,分别为E1、E2、E3、E4;
使用粪便基因组DNA提取试剂盒提取发酵样品基因组DNA,并使用通用引物338F和806R扩增出基因组DNA中16S rRNA基因的V3-V4区,得到PCR产物;其中,338F的序列为5‘-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3’;806R的序列为5‘-GGAC-TACHVGGGGTWTCTAAT-3’;
将PCR产物在Biomarker Technologies的Illumina NovaSeq平台上进行高通量测序;采用OTUS的分类方法分析SF-EPS对肠道微生物组成的影响,结果如图2至图7所示。
以制备1L发酵培养基为例,发酵培养基的制备方法为:
取10.0g蛋白胨、5.0g酵母膏、0.05g氯化血红素、0.5g L-半胱氨酸、0.5g胆盐、2.5g氯化钠、0.45g磷酸二氢钾、0.45g磷酸二氢钙、0.01g硫酸镁、2g碳酸氢钠、1mL 1%刃天青溶液(1%,w/v)、2mL吐温80和10μL维生素K混合,121℃高压灭菌20min。
粪便接种物的制备方法为:
将来自三名健康的捐赠者的新鲜的人类粪便样本(至少三个月没有服用抗生素并健康饮食,没有胃肠道疾病史);
取每位捐献者的等量粪便样本,加入浓度为0.1mol/LpH为7.0无菌磷酸盐缓冲液匀浆,获得10%(粪便质量/缓冲液体积)的粪便接种物。
(2)SF-EPS对肠道产短链脂肪酸的影响:
将2mL浓度为20mg/mL的SF-EPS溶液与2mL粪便接种物,6mL发酵培养基混合,作为EPS组;
将2mL无菌PBS溶液与2mL粪便接种物,6mL发酵培养基混合,作为Control组;
将EPS组和Control组在厌氧手套箱中分别发酵0、2、4、6、12、24、30、36h后取出;取出后在4℃,8000rpm/min,离心10min,得到不同组不同时间段的上清液;
用pH值测定仪测定各上清液在发酵过程中各个时间点的pH值;结果如图9中的a所示;
以葡萄糖为标准,用苯酚-硫酸法测定发酵过程中上清液中各个时间点的总碳水化合物含量;结果如图9中的b所示;
以葡萄糖为标准,用二硝基水杨酸法测定发酵过程中上清液中各个时间点的还原糖含量;结果如图9中的c所示;
通过气相色谱法检测发酵过程中各个时间点肠道菌群产生的短链脂肪酸产量,包括乙酸、丙酸、丁酸;如图9中的d、e、f所示。
结果分析
参见图1,图1中的a显示了一个对称的窄峰,表明SF-EPS是均一的;根据不同标准T系列葡聚糖的校正,SF-EPS的重均分子量和数均分子量分别为4.81×104Da和3.25×104Da;
如图1中的b所示,SF-EPS中单糖的离子色谱图表明,SF-EPS含有葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖和甘露糖,摩尔比为4.02∶1.91∶1.02∶1.0;此外,SF-EPS中还含有少量的葡萄糖醛酸(0.022mol%);
图1中的c表示SF-EPS的紫外光谱在210nm处只有一个峰,表明SF-EPS中不存在蛋白质或核酸;
图1中的d表示,SF-EPS的FT-IR谱在3,347cm-1处有一个宽的O-H伸缩峰,在2392cm-1处有一个微弱的C-H伸缩带;1,645cm-1和1,417cm-1处的峰对应于羰基C=O和羧基-COOH,表明存在糖醛酸;此外,SF-EPS同时具有α类型和β类型的糖苷键,可以从位于854cm-1和934cm-1的两个特征峰得出结论;
图1中的e展现了SF-EPS的微观结构和形态特征,SF-EPS大部分为无定型的薄片状结构。
参见图2,图2中的a表示,随测序深度增加,没有检测到额外的OTUS,表明现有测序数据量已经能够反应样本的多样性和物种丰富度;图2中的b表示,对照组和EPS组的肠道菌群分布均为聚集性;图2中的c表示,EPS组ACE、Chao1指数较对照组降低,但差异无统计学意义,同时,两组之间的Shannon和Simpson指数没有显著差异,表明EPS没有显著改变肠道微生物的丰富度或多样性;此外,图2中的d表示两组共检测到565个OTUS,其中对照组和EPS组分别发现353个和357个OTUS。
参见图3,结合图3中的a和图3中的b,在门的水平上,EPS组的厚壁菌门和放线菌门的丰度显著高于对照组,而变形菌门和拟杆菌门的丰度显著低于对照组。
参见图4,结合图4中的a和b,在属水平上,SF-EPS增加了有益细菌如Bifidobacterium的相对丰度,并显著降低了潜在致病菌,如Klebsiella和Enterobacteriaceae的相对丰度;此外,EPS组的肠道有益菌和短链脂肪酸重要生产者Faecalibacterium和Anaerostipe的相对丰度增加,与对照组相比,SF-EPS发酵产生了较高水平的Lachnoclostridium,Coprococcus和Lachnospiraceae_ND3007_group,以上3种菌作为毛螺菌科的成员,表现出强水解性,并能从膳食多糖中产生短链脂肪酸;Subdoligranulum是一种功能类似于人体肠道中的一种益生菌-Akkermansiamuciniphila,通常在肥胖和糖尿病患者的体内几乎观察不到Subdoligranulum,结果显示EPS组的Subdoligranulum相对丰度显著高于对照组;因此,本发明提供的胞外多糖SF-EPS组能够增加有益菌的相对丰度,并且能够增加生产短链脂肪酸的菌类的丰度。
参见图5,通过Bugbase预测微生物表型,发现EPS组厌氧菌和革兰氏阳性菌比例明显高于对照组,而对照组革兰氏阴性菌和潜在病原菌比例较EPS组更高;因此,本发明提供的胞外多糖SF-EPS能够肠道中降低潜在病原菌的比例。
参见图6,LEFSE分析结果表明,EPS组富含Ruminococcaceae,Lachnospirales,Faecalibqcterium,Bifidobacteriaceae和Lactobacillales等有益细菌,而对照组富含Enterobacteriaceae;由此说明,本发明提供的胞外多糖SF-EPS改变了肠道菌群的组成。
参见图7,利用细菌群落的相关网络图发现Ruminococcus和Bifidobacterium与Enterobacteriaceae呈负相关,而Subdoligranulum和Faecalibacterium与Anaerostipes呈正相关;此外,Lachnoclostridium与Coprococcus呈正相关。
参见图8,对KEGG代谢途径的组成和差异的分析使我们能够观察到样品之间微生物群落功能基因代谢途径的差异和变化,结果显示,EPS组的碳水化合物代谢、果糖和甘露糖代谢、糖酵解和糖异生、氨基酸生物合成和次生代谢物代谢途径显著高于对照组;因此,本发明提供的胞外多糖SF-EPS可以调节肠道微生物区系和肠道代谢,改善肠道健康。
参见图9,当碳水化合物含量较低时,EPS是粪便微生物区系可利用的主要碳源,因此,总碳水化合物的变化在一定程度上反映了粪便微生物区系的生长速度;还原糖是多糖水解的中间产物,可被微生物消耗,因此,还原糖的存在反映了糖苷键的水解和粪便微生物区系的生长情况;如图9中的a所示,在EPS组中,还原糖含量在前6h内持续增加,但后续时间内从最高水平的1.33mg/mL下降;因此,糖苷键的酶促消化在发酵的前6h最为活跃,而还原糖主要在发酵的剩余时间被消耗;如图9中的b所示,EPS组的pH在发酵0-12h内急剧下降,发酵12h后,pH值逐渐稳定在5.0,直到发酵结束;对照组的pH值在整个发酵过程中仅略有下降;如图9中b所示,pH的变化与EPS组在体外发酵过程中总碳水化合物含量的变化一致;
短链脂肪酸在维持肠道健康环境方面发挥着重要作用,短链脂肪酸含量指示肠道微生物群对膳食碳水化合物的发酵程度;如图9中的c所示,在发酵的前12h,EPS组上清液中总短链脂肪酸含量迅速增加,随后时间段内趋于稳定,最高达到160μg/mL,显著高于对照组的水平;
乙酸、丙酸和丁酸是本研究中主要的短链脂肪酸,如图9中的d和f所示,EPS组上清液中的乙酸和丁酸水平均高于对照组;此外,EPS组和对照组的乙酸和丁酸的含量随着发酵时间的延长而逐渐增加后下降,与pH和总碳水化合物的变化一致;然而,如图9中的e所示,在整个发酵过程中,EPS组上清液中丙酸的含量没有明显变化,发酵12h后,对照组的丙酸含量高于EPS组,已有文献证明,类杆菌是结肠中丙酸的主要贡献者,这可能是由于对照组中类杆菌的相对丰度较EPS组更高。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式,但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是,能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是,应理解,这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且,在此说明的本发明可有其它的实施方式,并且可通过多种方式实施或实现。
Claims (9)
1.一种双歧杆菌胞外多糖,其特征在于,所述胞外多糖通过双歧杆菌乳亚种SF发酵制得;所述双歧杆菌乳亚种SF的拉丁学名为Bifidobacterium animalis,保藏编号为CCTCCNO:M 2021048。
2.根据权利要求1所述的胞外多糖,其特征在于,重均分子量为(4.81±0.25)×104Da;数均分子量为(3.25±0.16)×104Da。
3.根据权利要求1所述的胞外多糖,其特征在于,所述胞外多糖的单糖组分包括摩尔比为(4.02±0.05):(1.91±0.05):(1.02±0.05):(1.0±0.05)的葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖和甘露糖。
4.根据权利要求1-3任一项所述的胞外多糖,其特征在于,所述胞外多糖中包括浓度为0.01-0.03mol%的葡萄糖醛酸。
5.根据权利要求1-3任一项所述的胞外多糖,其特征在于,所述胞外多糖呈现不规则片状结构。
6.如权利要求1-5任一项所述的胞外多糖在制备调节肠道菌群的产品中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用,其特征在于,所述产品包括药品、保健品、食品。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,所述食品包括乳制品、饮料制品和奶类发酵制品。
9.根据权利要求6-8任一项所述的应用,其特征在于,所述应用在作用时包括调节肠道菌群的组成、调节肠道菌群的结构、促进肠道微生物产生短链脂肪酸中至少一种。
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