DE60222014T2 - Verfahren zur bewertung von malzeigenschaften durch elektronenspinresonanzspektrometrie - Google Patents

Verfahren zur bewertung von malzeigenschaften durch elektronenspinresonanzspektrometrie Download PDF

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Description

  • Bereich der Erfindung:
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich grundsätzlich auf Qualitätsbewertungsverfahren von Malz zur Verwendung bei der Herstellung von alkoholischen Malzgetränken, wie beispielsweise Bier, und insbesondere auf ein Verfahren zur Bewertung mittels Elektronen-Spin-Resonanz (ESR) des Keimungszustandes oder des Modifikationszustandes von Malzproben in einem Keimungsverfahren von Gerste.
  • Der Stand der Technik:
  • Bier wird hauptsächlich aus Gerstenmalz gemacht, das als Stärke und Enzymquelle dient. Das Herstellungsverfahren von Bier wird in einen Mälzungsprozess, einen Brauprozess und einen Verpackungsprozess klassifiziert. Beim Mälzungsprozess wird das Malz zur Keimung in Wasser getaucht. Während der Keimung werden abbauende Enzyme aktiviert. Die keimende Gerste wird grünes Malz genannt. Nach der Keimung zu einem erwarteten Modifikationszustand wird das grüne Malz getrocknet (gedarrt). Im nächsten Brauprozess wird Wasser zu dem gemahlenen Malz hinzu gegeben und zur Verzuckerung erhitzt und dann gefiltert. Die gefilterte Flüssigkeit wird nach dem Zufügen von Hopfen gekocht und die verzuckerte Flüssigkeit (Würze) wird durch Abtrennung vom Hopfensatz erhalten. Nach Abkühlen wird die Würze durch hinzufügen von Hefe fermentiert und bei einer kalten Temperatur gelagert. Nachdem Kohlendioxid, das während der Lagerung in der fermentierten Flüssigkeit (Bier) gelöst ist, erzeugt wurde und der Geschmack gereift ist, wird das Bier abgefiltert. Beim Verpackungsprozess wird das Bier antiseptisch gefiltert und in Fässer und/oder Flaschen zum Vertrieb gefüllt.
  • Die Qualität des Bieres hängt in großem Maße von der Qualitätskontrolle des Mälzungsprozesses ab. Das heißt von der Qualität des erzeugten Malzes. Im Allgemeinen benötigt ein Keimungsprozess etwa 4-6 Tage. Während des Keimen werden Enzyme synthetisiert, und Stärke und Proteine werden teilweise abgebaut. Der Grad des Malzabbaus wird als „Modifikation" bezeichnet.
  • Beim Herstellungsverfahren von Bier ist es wichtig, die Malzqualität zu kontrollieren. Kohlbach Index, Hartong Index bei 45 °C, diastatische Energie, β-Glucan-Gehalt und Viskosität sind Indizes, welche die Qualität des Malzes anzeigen. Diese Parameter werden bei dem Mälzungsprozess kontrolliert, um eine gleich bleibende Malzqualität zu erhalten.
  • Die Parameter zum Anzeigen der Malzmodifikation sind nachfolgend beschrieben.
  • Kohlbach Index: Das Verhältnis der Stickstoffmenge der Stammwürze, die für die Analyse aufbereitet wurde, und der Stickstoffmenge des gesamten Malzes. Er zeigt das Ausmaß des Proteinabbaus in dem Malz an. Je höher der Kohlbach Index ist, desto stärker ist das Malz abgebaut (modifiziert).
  • Hartong Index bei 45 °C: Das Verhältnis des Extraktes bei 45 °C, nach einstündigem Maischen des fein geschroteten Malzes, und des Extraktes der Stammwürze. Das Verhältnis des Extraktes hängt im Wesentlichen von der Menge der Stärke und des Zuckers ab. Im Malz beeinflusst der Abbau von Proteinkomponenten, die unter Stärkepartikeln vorkommen, die Menge des Extraktes. Entsprechend indiziert der Hartong Index bei 45 °C den Abbaugrad sowohl von Stärke als auch von Proteinen. Je höher der Hartong Index bei 45 °C ist, desto mehr Malz ist modifiziert.
  • Diastatische Energie: Um die Stärke abbauende Enzymenergie des Malzes zu bestimmen, wird die Menge des reduzierten Zuckers, der durch Beeinflussung der Wasser-Extrakt-Flüssigkeit des Malzes zu löslicher Stärke entstanden ist, unter Verwendung der Iodometrie gemessen. Die Stärke abbauenden Enzyme werden synthetisiert, wenn die Gerste keimt. In einem Brauprozess sind diese Enzyme erforderlich zum Abbau von Stärke in Malz und in Beigaben (beispielsweise Maisstärke). Malz mit einer niedrigen diastatischen Energie kann ein Problem beim Bierbrauprozess verursachen.
  • β-Glucan-Gehalt: β-Glucan ist das abbauende Produkt der Zellwand des Malzes: Wenn die Zellwand nicht ausreichend abgebaut ist, wird das Läutern der Maische nicht gleichmäßig. Bier mit hohem β-Glucan-Gehalt kann Eintrüben nach Gefrieren verursachen.
  • Der β-Glucan-Gehalt wird gemessen wie folgt: Nachdem das geschrotete Malz in Ethanol erhitzt wurde, um Enzyme zu deaktivieren, wird β-Glucan durch Verarbeitung mit Lichenaze und β-Glucosidase in dem Malz zu Glucose abgebaut, und die Menge der erzeugten Glucose wird bestimmt unter Verwendung der Glucose-Oxidase/Paroxidase-Methode.
  • Viskosität: Die Viskosität der Stammwürze, die für die Analyse vorbereitet wurde. Polysaccharide, wie beispielsweise Stärke, Dextrin, β-Glucan und Pentosan, beeinflussen im Wesentlichen die Viskosität der Stammwürze. Die Viskosität indiziert den Grad des Abbaus gespeicherter Stärke und Zellwand. Je niedriger die Viskosität ist, desto stärker ist das Malz modifiziert. Die Viskosität wird bei 20 °C mit einem Viskosimeter vom Ubbelohde-Typ gemessen.
  • Bröckeligkeit: Die Bröckeligkeit wird gemessen durch ein bestimmtes Bruchbildungsmessgerät. Insbesondere wird die Bröckeligkeit gemessen wie folgt. Nachdem sie mit einer Walze geschrotet worden sind, werden Malzproben aufgetrennt in diejenigen, die durch einen speziellen Schlitz passen, und diejenigen, die nicht durch diesen speziellen Schlitz passen und zurückbleiben. Die abgetrennten Malzproben werden gemessen. Die Bröckeligkeit der Malzproben wird definiert als das Verhältnis zwischen den getrennten Malzproben. Malz, dessen Stärke und Zellwand nicht ausreichend abgebaut ist, ist kristallin und folglich hart. Die Bröckeligkeit eines solchen Malzes ist niedrig. Gut abgebautes Malz ist mehlig und leicht zu schroten. Die Bröckeligkeit eines solchen Malzes ist hoch.
  • Konventionell werden die obigen Parameter zur Analyse der Modifikation von Malz mit allgemeinen analytischen Verfahren wie beispielsweise chemischer Analyse bestimmt. Die allgemeinen analytischen Verfahren haben jedoch Probleme wie dieses, dass die Aufbereitung und Messung von Proben einen beträchtlichen Zeitaufwand erfordert. Eine schnelle und einfache Analysetechnik zur Bewertung der Malzqualität wird benötigt.
  • Es gibt viele analytische Verfahren zur Analyse von Material, wie beispielsweise chemische Analyse, optische Analyse und physikalische Analyse (unter Verwendung von Röntgenstrahlen beispielsweise). Jüngst wurde der Elektronen-Spin-Resonanz (ESR) Analyse Beachtung zugewandt als eine Analysetechnik, mit der, bezüglich der molekularen Ebene, Informationen über das Material erhalten werden können. Die Anwendung von ESR-Analyse wird intensiv untersucht.
  • Das Prinzip der ESR ist exakt dasselbe wie das der magnetischen Kernresonanz (NMR). ESR ist eine Art des magnetischen Resonanzspektrums. Wohingegen die NMR die Resonanzabsorption der Kernspins misst, misst die ESR die Resonanzabsorption der Elektronenspins. Die ESR führt am direktesten zu Informationen über die molekularen Strukturen und elektronischen Zustände der Materialien mit ungepaarten Elektronen, wie beispielsweise einem Radikal und einem Übergangsmetallkomplex (trivalentes Eisenion und bivalentes Kupferion beispielsweise). Derzeit ist daher ESR die zuverlässigste Analysetechnik, um Radikale zu detektieren.
  • ESR-Spektren zeigen das Folgende: Der g-Wert indiziert die Position der Resonanz des ungepaarten Elektrons, die Resonanzintensität indiziert die Anzahl der ungepaarten Elektronen, die Absorptionsbreite im Bezug zur Relaxationszeit und die Hyperfeinstruktur, die hier durch die Kopplung zwischen ungepaarten Elektronen und Atomen (1H und 14N, beispielsweise) mit nuklearem Spin nahe ungepaarter Elektronen aufweisen. Da jede der Radikal-Spezies eine intrinsische Position der Absorption aufweist, kann man die Radikal-Spezies auf dem g-Wert basierend identifizieren. Darüber hinaus kann man die Reaktionszeit berücksichtigen und den Reaktionsmechanismus, basierend auf der Änderung der Absorptionszeit (Intensität).
  • Die Erfinder haben intensiv die Anwendung der ESR auf die Bewertung des Zustandes (Qualität) des Malzes beim Bierbrauen untersucht. Als ein Ergebnis der Untersuchung haben die Erfinder aufgedeckt, dass, falls eine Absorptionsintensität (Signalintensität) beobachtet wird, die Radial-Spezies grob identifizierbar ist, basierend auf dem g-Wert, und dass es eine Korrelation zwischen der Absorptionsintensität (Signalintensität) und dem Zustand (der Qualität) von grünem Malz und Malz gibt. Es existieren bereits Dokumente, die sich auf die Getreidemälzung beziehen, beispielsweise die WO 01/40433 , welche sich auf ein Verfahren zur Behandlung von gemälztem Korn bezieht, wobei das Korn einer Belastung durch Wasserentzug unterzogen wird, nachdem die Keimung unter normalen Bedingungen begonnen wurde und chemische analytische Malzanalysen ausgeführt wurden. Dieses Dokument bezieht sich jedoch nicht auf ein Verfahren zur Bewertung des Keimungszustandes oder des Modifikationszustandes von Malz durch Bewertung mittels Elektronen-Spin-Resonanz. Die vorliegende Erfindung, welche auf der obigen Entdeckung basierend gemacht wurde, stellt ein schnelleres und einfacheres Verfahren zur Bewertung der Qualität von Malz bereit als diejenigen der konventionellen analytischen Techniken.
  • Zusammenfassung der Erfindung:
  • Die obigen Probleme können mittels der vorliegenden Erfindung gemäß der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst werden.
  • Bevorzugte Ausführungsformen werden in den anhängenden Ansprüchen beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • 1 ist ein Diagramm, das ein ESR-Spektrum von grünem Malz zeigt;
  • 2A und 2B sind Diagramme, welche die Wirkung der Feuchtigkeit nach dem Einweichen und der Keimzeit auf die ESR-Signalintensität des grünen Malzes zeigen;
  • 3 ist ein Diagramm, das die Wirkung der Keimzeit auf die ESR-Signalintensität von Malz zeigt; und
  • 4A bis 4F sind Diagramme, welche die Korrelation zwischen verschiedenen Parametern und der ESR-Signalintensität von Malz zeigen.
  • Bester Ausführungsmodus der Erfindung
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden detailliert nachfolgend beschrieben. Die Darstellung der ESR-Analysen, wie sie von den Erfindern durchgeführt werden, wird zuerst beschrieben.
  • (1) Gerste, Malzprobe
  • Wenn eine solche Feuchtigkeit in der Probe enthalten ist, absorbiert die Feuchtigkeit die Elektronen-Spin-Resonanz. Wenn feste Proben, die eine solche Feuchtigkeit enthalten, mit einem gewöhnlichen ESR-Analyseverfahren gemessen werden, muss die Feuchtigkeit entfernt werden. Entsprechend wurde grüner Malz verwendet, nachdem er lyophilisiert wurde, als ein Beispiel für die Analyse der keimenden Gerste (grüner Malz). Da jedoch Malz genügend wenig Feuchtigkeit enthält, wurde das Malz als eine Probe verwendet, ohne lyophilisiert zu sein.
  • Japanische „Amagi Nijo"-Gersten und kanadische „Kendall"-Gersten wurden als Proben verwendet. Diese wurden in einer 90 kg-skalierten Pilot-Mälzanlage gemälzt. Die Gersten wurden bei 14 °C in Wasser getaucht und wurden bei 14 °C keimen gelassen. Malz unterschiedlicher Keimungszeiten wurde dann unter Verwendung eines auf 8 kg skalierten Darrgerätes vorbereitet.
  • (2) ESR-Analyse
  • Die ESR-Analyse wurde mit den folgenden Messbedingungen durchgeführt:
    Temperatur der Probe: Raumtemperatur
    Durchlaufzeit: 60 Sekunden
    Modulationsbreite: 0,1 mT
    Mikrowellenenergie: 10,63 mW
    Durchlaufe/Messungen: 1 Mal
    Interner Standard: Mn2+
  • Fünf ganz Körner von grünem Malz und Malz (0,4 Gramm) oder etwa 0,2 Gramm geschroteter Proben, davon wurden in ein ESR-Probenrohr (zylindrisches Rohr) gegeben und ihre Elektronen-Spin-Resonanz-Absorption wurde mit einem Elektronen-Spin-Resonanz-Spektrometer gemessen. Nach der Messung des g-Wertes, basierend auf gemessenen Spektren, wurde die Signalintensität berechnet als relativer Wert der Peak-Höhe der Probe und der Peak-Höhe von Mn2 +, welches als der interne Standard verwendet wurde. Die ESR-Signalintensität ist definiert als die relative Höhe pro einer Gewichtseinheit der Probe (/g). Eine Probe wurde fünfmal gemessen und die erhaltenen Daten wurden gemittelt.
  • (3) ESR-Vorbereitungsanalyse von grünem Malz und Malz
  • 1 ist ein Diagramm, welches ein ESR-Spektrum von geschrotetem grünem Malz zeigt.
  • Wie gezeigt in 1, zeigt das Spektrum einen Singulett-Peak an der Position g = 2,0049. Der g-Wert ist = 2,0049 bedeutet, dass dieses Spektrum durch Kohlenstoffradikale verursacht wird. Es ist gut bekannt, dass, in Nahrungsmittelproben, welche Lipide und Proteine (Aminosäuren) enthalten, beispielsweise freie Radikale durch die Oxidation von Lipiden Wasserstoff aus den Proteinen aufnehmen und stabile organische Radikale erzeugen, die von den Proteinen stammen, und dass sie einen Singulett-Peak bei etwa g = 2,00 produzieren. Entsprechend vermuten die Erfinder, dass dieser Peak ebenfalls durch stabile organische Radikale produziert wurde, die von Proteinen in dem grünen Malz stammen. Darüber hinaus zeigten grüne Malzproben und ganze Kornproben von Malz und grünem Malz (ohne Grind) ähnliche Spektralmuster.
  • (4) Änderungen der ESR-Signalintensität von grünem Malz während des Keimen
  • Ein weiteres Experiment wurde durchgeführt, um die Änderung des ESR-Spektrums (der Signalintensität) von grünem Malz während des Mälzens (Keimens) zu bestimmen.
  • 2A und 2B zeigen die Ergebnisse der ESR-Messung des lyophilisierten grünen Malzes, der einmal am Tag beprobt wurde nach Keimung und Lyophilisierung. 2A zeigt das Ergebnis der ganzen Körner von grünem Malz, gemälzt mit zwei unterschiedlichen Einweichfeuchtigkeitsniveaus von 37 % und 43 % und 2B zeigt das Ergebnis von geschrotetem grünem Malz, der bis zu verschiedenen Feuchtigkeitsleveln von 37 % und 43 % eingeweicht wurde.
  • Diese experimentellen Ergebnisse zeigen, dass, mit Verstreichen der Keimungszeit, die ESR-Signalintensität ansteigt. Die Ergebnisse zeigen darüber hinaus, dass das Einweichfeuchtigkeitsniveau umso höher ist, je höher die ESR-Signalintensität ist. Entsprechend wurde gefunden, dass der Keimungszustand von Gerste basierend auf der ESR-Signalintensität bewertet werden kann.
  • Aus einem Vergleich zwischen den Proben des ganzen Korns und geschroteten Proben zeigte sich, dass die ESR-Signalintensität von grünem Malz mit dem Schroten anstieg. Dieses Ansteigen der ESR-Signalintensität könnte durch ein Vermehren der Radikale durch Oxidation während des Schroten herkommen.
  • Basierend auf den obigen experimentellen Ergebnissen vermuten die Erfinder, dass die Menge der Radikale während des Keimens gesteigert wird, weil das Keimen die Respiration von Gerste aktiviert und folglich die Oxidation der Bestandteile, die in der Gerste enthalten sind, und somit die Erzeugung stabiler organischer Radikale, die aus Proteinen stammen, beschleunigt. Nur die Signalintensität veränderte sich mit der Keimungszeit in dem Spektrum. Kein neuer Peak wird in dem Spektrum beobachtet. Die Vermehrung der stabilen organischen Radikale, die von Proteinen während der Keimung stammen, ist eine interessante Entdeckung hinsichtlich verschiedener Änderungen der Bestandteile, einschließlich der Synthese von Enzymen bei der Keimung von Gerste. Diese Entdeckung wird als ein neuer Blickwinkel in der Untersuchung botanischer Keimung erwartet.
  • (5) Beziehung zwischen ESR-Signalintensität und Malzparametern
  • Andere grüne Malze, die von einem bis zu sechs Tagen gekeimt wurden, wurden zu Malzen gedarrt und geschrotet. Die ESR-Signalintensitäten der geschroteten Malze wurden verglichen.
  • 3 zeigt das Ergebnis des obigen Experimentes.
  • Wie gezeigt in 3, wuchs die ESR-Signalintensität mit der Keimungszeit an. Basierend auf diesem Ergebnis bestätigten die Erfinder, dass die Steigerung der ESR-Signalintensität von grünem Malz mit der Keimungszeit sogar nach dem Darren gehalten wurde.
  • Die Relation zwischen unterschiedlichen typischen Parametern, die die Malzmodifikation indizieren, und der ESR-Signalintensität wurde untersucht. 4A bis 4F zeigen die Beziehung zwischen den Parametern, welche die Malzmodifikation indizieren, und der ESR-Signalintensität der Malzproben, die für die Messung verwendet wurden, wie gezeigt in 3. 4A bis 4F zeigen die Beziehung der Malzqualitätsparameter, das heißt, der Hartong Index bei 45 °C (4A), Viskosität (4B), β-Glucan-Gehalt (4C), Bröckeligkeit (4D), diastatische Energie (4E) und Kohlbach Index (4F) entsprechend, mit der ESR-Signalintensität. 4A zeigt, dass der Hartong Index bei 45 °C mit der Signalintensität, die unterhalb 9,5 liegt, anwächst und konstant bleibt mit der Signalintensität von 9,5 und darüber.
  • 4B zeigt, dass die Viskosität bei einer Signalintensität von 12 oder darüber konstant ist.
  • 4C zeigt, dass der β-Glucan-Gehalt nicht konstant bleibt über den gesamten Bereich der Signalintensität.
  • 4D zeigt, dass die Bröckeligkeit konstant bleibt bei einer Signalintensität von 9 und darüber.
  • 4E zeigt, dass die diastatische Energie konstant bleibt bei einer Signalintensität von 9 und darüber.
  • 4F zeigt, dass der Kohlbach Index konstant bleibt mit einer Signalintensität von etwa 9 und darüber.
  • Die Ergebnisse der obigen Experimente bestätigen, dass Malz bei einer ESR-Signalintensität zwischen 9 und 15 ausreichend modifiziert ist und dem grundsätzlich erforderlichen Level für eine Malzqualität genügt.
  • Gemäß den obigen experimentellen Ergebnisse kann der Keimungszustand von Malz basierend auf der ESR-Signalintensität des gekeimten Malzes (grüner Malz) geschätzt und bewertet werden.
  • Die Modifikation und/oder die diastatische Energie von Malz kann durch Beprobung von grünem Malz oder Malz während des Mälzens bewertet werden und durch Messen der ESR-Signalintensität unter Verwendung der ESR-Analyse. Wenn die ESR-Signalintensität gleich ist oder höher als ein spezifisches Level, kann die Malzqualität garantiert werden. Ein solches Qualitätsbewertungsverfahren kann als ein schnelles und einfaches Verfahren zur Überprüfung der Malzqualität verwendet werden.
  • Die ESR-Analyse von Malz erfordert kein lyophilisieren der Malzprobe. Die Malzprobe wird geschrotet und in eine ESR-Beprobungsröhre gegeben. Die Messung mittels des ESR-Spektrometers benötigt weniger als zwei Minuten. Obwohl die Einstellung des ESR-Spektrometers mehr als 30 Minuten benötigt, erfordert die ESR-Analyse im Wesentlichen weniger Zeit, als dies konventionelle Verfahren tun. Die Vorbereitung der Malzproben ist ebenfalls sehr einfach.
  • Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind oben im Detail beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf diese Ausführungsformen und Variationen und Modifikationen können ohne Abweichen vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden.
  • Wie aus der obigen detaillierten Beschreibung offensichtlich ist, macht es die vorliegende Erfindung möglich, die Qualität von grünem Malz basierend auf der ESR- Signalintensität von einer grünen Malz Probe unter Verwendung der Elektronen-Spin-Resonanz-Methode zu bewerten.
  • Die vorliegende Erfindung macht es ebenfalls möglich, die Qualität von Malz basierend auf der Intensität des ESR-Signals einer Malzprobe unter Verwendung des Elektronen-Spin-Resonanz-Verfahrens zu bewerten.
  • Zusätzlich macht es die Erfindung möglich, Parameter abzuschätzen, welche die Malzmodifikation anzeigen, beispielsweise der Kohlbach Index, der Hartong Index bei 45 °C, die diastatische Energie, der β-Glucan-Gehalt, die Viskosität und die Bröckeligkeit, basierend auf Parametern, die mittels dem Elektronen-Spin-Resonanz-Verfahren gemessen wurden.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Bewertung des Keimzustands oder des Modifikationszustands von Malz, das in einem Keimungsverfahren von Gerste beprobt wird, mittels Elektronenspinresonanz (ESR), umfassend die Schritte: Messen einer Peakhöhe des ESR-Spektrums bei einem g-Wert, bei dem ein urgepaartes Elektron, das von einem Kohlenstoffradikal stammt, resonant ist; Bestimmen einer ESR Signalintensität, die ein Verhältnis der gemessenen Peakhöhe des Spektrums zu einer Peakhöhe des Spektrums eines ESR-Signalintensitäts-Kalibrierstandards pro einer Gewichtseinheit des beprobten Malzes ist; und Bewerten eines Keimungs- oder eines Modifikationszustands des beprobten Malzes durch Vergleichen der bestimmten ESR Signalintensität mit einem vorgegebenen Referenzlevel.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zu beprobende Malz grüner Malz ist, und wobei die Bewertung des Modifikationszustands des beprobten grünen Malzes durch ESR vorgenommen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, welches die zusätzlichen Schritte des Vorausbestimmen einer Korrelation zwischen einem Parameter, der durch allgemeine analytische Verfahren einschließlich chemischer Analyseverfahren gemessen wird, wobei der Parameter einen Modifikationszustand des beprobten Malzes anzeigt, und der ESR-Signalintensität des beprobten Malzes; und Bewerten der Modifikation des beprobten Malzes basierend auf dem Parameter, der unter Verwendung der Korrelation mit der ESR Signalintensität bestimmt wurde, die durch die ESR-Spektrometrie bestimmt wurde.
  4. Bewertungsverfahren nach Anspruch 3, wobei der Parameter zumindest einer von Kohlbachindex, Hartongindex bei 45 °C, diastatischer Energie, β-Glukangehalt, Viskosität und Bröckeligkeit ist.
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