JP2024502667A - 加工デンプン組成物 - Google Patents
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Abstract
本開示は、加工デンプン組成物に関する。前記加工デンプン組成物は、デンプンと、グリセロール、グリセリン、ソルビトールおよびそれらの組合せからなる群から選択される相溶化剤とを、２：１～４：１の重量比率で含み、前記加工デンプン組成物は約８０℃の温度において水中で１５％未満の溶解度指数を有し、前記加工デンプン組成物の熱重量分析は、１２０℃～１８０ｏ℃の温度で特徴的なピークを示す。
Description
〔技術分野〕
本開示は、加工デンプン組成物に関する。具体的には、本開示は、デンプンおよび相溶化剤を含む加工デンプン組成物に関する。
本開示は、加工デンプン組成物に関する。具体的には、本開示は、デンプンおよび相溶化剤を含む加工デンプン組成物に関する。
〔背景〕
生分解性材料および環境に優しいプラスチックの代替物は、例えばパッケージを含む様々な産業においてますます採用されている。デンプンは容易に入手可能であり、再生可能であり、生分解性であり、一般に低コストであり、生分解性プラスチックを調製するために使用されている。しかしながら、デンプンフィルムは脆く、親水性材料であるデンプンは湿気にさらされると劣化する傾向がある。これらの因子により、デンプンは、特に食品包装用の生分解性プラスチックの調製に不適切である。
生分解性材料および環境に優しいプラスチックの代替物は、例えばパッケージを含む様々な産業においてますます採用されている。デンプンは容易に入手可能であり、再生可能であり、生分解性であり、一般に低コストであり、生分解性プラスチックを調製するために使用されている。しかしながら、デンプンフィルムは脆く、親水性材料であるデンプンは湿気にさらされると劣化する傾向がある。これらの因子により、デンプンは、特に食品包装用の生分解性プラスチックの調製に不適切である。
そのような制限を克服するために、デンプンは、加工され、他のポリマーとブレンドされる。デンプンの加工は例えば、デンプン分子の分子間水素結合を弱める可塑化およびゼラチン化を含む。
Ｂａｓｉａｋ、Ｅｗｅｌｉｎａらの“Ｈｏｗ Ｇｌｙｃｅｒｏｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｔｅｎｔｓ Ａｆｆｅｃｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｓｔａｒｃｈ－Ｂａｓｅｄ Ｅｄｉｂｌｅ Ｆｉｌｍｓ”（Ｐｏｌｙｍｅｒｓ ｖｏｌ．１０，４ ４１２．２０１８年４月８日）には、３０％および５０％重量比率のグリセロールを用いたデンプンの加工が開示されている。しかしながら、Ｂａｓｉａｋは、そのようなデンプンが水に高度に可溶性である（溶解度≧３０％）ことを開示している。そのようなデンプンが他の生分解性ポリマーとブレンドされる場合、得られるポリマー組成物は、デンプンがより高いパーセンテージで含まれると乏しい機械的特性を示す。
〔要旨〕
本開示は、加工デンプン組成物に関する。前記加工デンプン組成物はデンプンと、グリセロール、グリセリン、ソルビトールおよびそれらの組合せからなる群から選択される相溶化剤とを２：１～４：１の重量比率で含み、前記加工デンプン組成物は約８０℃の温度で水中１５％未満の溶解度指数を有し、前記加工デンプン組成物の熱重量分析は、１２０℃～１８０℃の温度で特徴的なピークを示す。
〔図面の簡単な説明〕
〔要旨〕
本開示は、加工デンプン組成物に関する。前記加工デンプン組成物はデンプンと、グリセロール、グリセリン、ソルビトールおよびそれらの組合せからなる群から選択される相溶化剤とを２：１～４：１の重量比率で含み、前記加工デンプン組成物は約８０℃の温度で水中１５％未満の溶解度指数を有し、前記加工デンプン組成物の熱重量分析は、１２０℃～１８０℃の温度で特徴的なピークを示す。
〔図面の簡単な説明〕
図１は、本開示の実施形態に従って調製された加工デンプン組成物の溶解度の比較研究を示す。
図２は、本開示の実施形態に従って調製された加工デンプン組成物の、従来のキャストフィルムに対する、様々な温度での水中での溶解度の比較研究を示す。
図３は、本開示の実施形態に従って調製された加工デンプン組成物の熱重量分析を示す。
〔詳細な説明〕
図２は、本開示の実施形態に従って調製された加工デンプン組成物の、従来のキャストフィルムに対する、様々な温度での水中での溶解度の比較研究を示す。
図３は、本開示の実施形態に従って調製された加工デンプン組成物の熱重量分析を示す。
〔詳細な説明〕
本開示の原理の理解を促進する目的で、ここで実施形態を参照し、特定の文言を使用して本開示を説明する。それにもかかわらず、それによって、本開示の範囲の限定は意図されず、開示された組成物および方法におけるそのような変更およびさらなる改変、ならびに本開示が関連する技術分野の当業者が通常想起するのであろう、その中の開示の原理のそのようなさらなる適用が企図されることが理解されるであろう。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、本開示の例示および説明であり、本開示を限定することを意図するものではないことが当業者によって理解されるであろう。
本明細書を通して、「一実施形態」、「実施形態」、または同様の文言は、その実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して、「一実施形態では」、「実施形態では」および同様の文言の出現は、必ずしもそうではないが、すべてが同じ実施形態を指す場合がある。
用語「ａ」、「ａｎ」、および「Ｔｈｅ」は冠詞の文法上の対象の「１つまたは複数」（すなわち、少なくとも１つ）を指すために使用される。
用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、またはそれらの任意の他のバリエーションは、非排他的な包含をカバーすることを意図し、「のみからなる（ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｏｎｌｙ）」と解釈されることを意図しない。その結果、工程のリストを含むプロセスまたは方法は、それらの工程のみを含むのではなく、明示的に列挙されていない、或いは、そのようなプロセスまたは方法に不可欠の他の工程を含み得る。
別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載のものと類似または同等の任意の方法および材料を、本開示の実施または試験において使用することができるが、好ましい方法および材料を以下に記載する。
本明細書に記載の「溶解度指数」は、所与の溶媒中の加工デンプン組成物の溶解度の測定値を指す。それは、試料の元の重量の割合として計算され、例えば、水溶解度指数（ＷＳＩ）は以下のように示す：
ＷＳＩ（％）＝水中に溶解した固体の重量×１００／乾燥固体の重量
ＷＳＩ（％）＝水中に溶解した固体の重量×１００／乾燥固体の重量
本開示は、デンプンと、グリセロール、グリセリン、ソルビトールおよびそれらの組合せからなる群から選択される相溶化剤とを２：１～４：１の重量比率で含む加工デンプン組成物であって、約８０℃の温度において水中で１５％未満の溶解度指数を有し、加工デンプン組成物の熱重量分析が、１２０℃～１８０ｏ℃の範囲の温度で特徴的なピークを示す、加工デンプン組成物に関する。
本開示の加工デンプン組成物は疎水性であり、水に浸漬した後でさえ良好な物理的完全性が維持されるように、実質的に水に不溶性である。この溶解挙動は、本開示の教示によるデンプンと相溶化剤との熱―機械的混合中のデンプンと相溶化剤との間の飽和分子間水素結合に起因して観察されることが理解される。
一態様によれば、開示される加工デンプン組成物は、冷水に不溶性である。冷水とは、１０℃の温度に保たれた水のことである。
一態様によれば、加工デンプン組成物は、約２５℃の室温に保たれた水中で１％～５％の範囲の溶解度指数を有する。
一態様によれば、加工デンプン組成物は、沸騰水中（１００℃で）１７％～３５％の範囲の溶解度指数を有する。
一態様によれば、加工デンプン組成物は、クロロホルム中において１％～５％の範囲の溶解度指数を有する。
一態様によれば、加工デンプン組成物の熱重量分析は、１２０℃－１８０℃の間の温度で特徴的なピークを示す。一実施形態では、特徴的なピークが１５０℃の温度で得られる。
一実施形態によれば、加工デンプン組成物は０．４～０．９％の範囲の含水量を有する。いくつかの実施形態において、加工デンプン組成物は０．６～０．７％の含水量を有する。
一実施形態によれば、加工デンプン組成物は、２：１～４：１の重量比率でデンプンと相溶化剤とを含む。いくつかの実施形態において、デンプンと相溶化剤との重量比率は、２：１～３．５：１である。例示的な実施形態において、デンプンと相溶化剤との重量比率は、３．３：１～３．４：１、特に３．３４：１である。図１は、デンプンと相溶化剤（グリセロール）の重量比率が３．３４：１である場合の、加工デンプン組成物の溶解度の比較研究を示す。溶解度試験は、１０℃の温度の冷水、室温の水、８０℃および９０℃の温度の水、沸騰水、およびクロロホルム中で実施した。
一実施形態によれば、デンプンおよび相溶化剤は、２：１のモル比である。
デンプンの任意の公知の供給源を使用することができる。一実施形態によれば、デンプンは天然デンプンであり、ジャガイモ、コムギ、トウモロコシ、キャッサバ、イネ、エンドウマメデンプンおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される。一実施形態によれば、デンプンは、酸化デンプン、カルボキシメチル化デンプン、ヒドロキシアルキル化デンプン、酵素処理デンプン、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される化学的又は物理的に加工されたデンプンである。いくつかの実施形態では、天然ならびに化学的もしくは物理的に加工されたデンプンのブレンドが使用される。
相溶化剤は、グリセロール、グリセリン、ソルビトールおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される。いくつかの実施形態では、相溶化剤はグリセロールである。
さらなる実施形態では、加工デンプン組成物が、充填剤、乳化剤、芳香剤、精油、脂肪酸などの添加剤を含む。任意の公知の充填材を使用することができる。一実施形態によれば、充填剤は、炭酸カルシウム、酸化カルシウム、ココピート、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される。任意の公知の乳化剤を使用することができる。一実施形態によれば、乳化剤は、トゥイーン２０、グリセロールモノステアレート、アルコールエステル、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される。
一実施形態によれば、加工デンプン組成物は、キャストフィルムの形態である。一実施形態によれば、加工デンプン組成物は、ペレットの形態で押出される。
加工デンプン組成物を調製するための方法も開示される。前記方法は、２：１～４：１の範囲の重量比率でデンプンと相溶化剤とを含むブレンドを調製することと、６０～１１０℃の範囲のバレル温度で、ツインスクリュープロセッサ中でデンプンと相溶化剤とを含むブレンドを処理することと、ツインスクリュープロセッサから加工デンプン組成物を得ることとを含む。本明細書に開示されるプロセス条件、ならびにデンプンと相溶化剤との比率は、冷水、室温の水、およびクロロホルムに実質的に不溶性である加工デンプンが得られるように、機械的および熱的相互作用を提供する。
一実施形態によれば、デンプンおよび相溶化剤を含むブレンドは、約２５～３５℃の室温で調製される。一実施形態によれば、デンプンと相溶化剤とを含むブレンドは、水を添加せずに調製される。一実施形態によれば、ツインスクリュープロセッサにおけるデンプンおよび相溶化剤を含むブレンドの処理は、水を添加せずに実施される。一実施形態によれば、前記ブレンドは、任意の公知のミキサー中で調製される。いくつかの実施形態では、前記ブレンドがリボンミキサーで調製される。
デンプンと相溶化剤とを含むブレンドは、６０～１１０℃の範囲の温度で、ツインスクリュープロセッサを介して処理される。いくつかの実施形態では、前記ブレンドは、６０～１００℃の範囲の温度で処理される。
一実施形態によれば、デンプンおよび相溶化剤を含むブレンドは、３０～１００Ｋｇ／時の供給速度でツインスクリュープロセッサに供給される。一実施形態によれば、ツインスクリュープロセッサは、８０～１４０ｒｐｍのスクリュー速度で動作する。いくつかの実施形態では、ツインスクリュープロセッサは、８０～１２０ｒｐｍのスクリュー速度で動作する。一実施形態によれば、ツインスクリュープロセッサは、６０／４０の範囲の長さ／直径（Ｌ／Ｄ）を有する。一実施形態によれば、プロセスは、１～４分の範囲の滞留時間を有する。
一実施形態によると、加工デンプン組成物を調製するためのツインスクリュープロセッサは、同時回転ツインスクリュープロセッサである。一実施形態によれば、同時回転ツインスクリュープロセッサは、同時回転ツインスクリュー押出機である。いくつかの実施形態において、ツインスクリュー押出機は、Ｏｍｅｇａ４０ＨまたはＯｍｅｇａ６０Ｈ（Ｓｔｅｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＰｖｔＬｔｄ製）である。
加工デンプン組成物を含むキャストフィルムも開示される。前記キャストフィルムは、約８０℃において、水に対して１５％未満の溶解度指数を有する。
前記加工デンプン組成物を含む包装材料も開示される。一実施形態によれば、前記包装材料は、３０～１００重量％の加工デンプン組成物を含む。
加工デンプン組成物は、ポリブチレンアジペートテレフタレート（ＰＢＡＴ）、ポリカプロラクトン（ＰＣＬ）、ポリブチレンスクシネートアジペート（ＰＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）などの任意の公知の生分解性ポリマーと組み合わせて、生分解性ポリマー組成物を形成することができる。
本開示がよりよく理解され得るように、以下の実施例を示す。これらの実施例は例示のみを目的とするものであり、示される正確な組成物、調製方法および実施形態は、本開示を限定するものではない。
本開示の１つ以上の実施形態による加工デンプン組成物を特徴付けるための方法もまた、本明細書に記載される。
〔実施例〕
〔実施例１〕例示的な加工デンプン組成物（デンプン：グリセロール‐３．３４：１）の調製方法
３．３４部のデンプンおよび１部のグリセロールを、水を添加せずに、リボンミキサー中において室温で混合した。デンプンおよび相溶化剤を含むブレンドを供給し、同時回転ツインスクリュー押出機（Ｏｍｅｇａ４０Ｈ（Ｓｔｅｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＰｖｔＬｔｄ．製））を通して搬送し、加工デンプン組成物を押出機の排出ゾーンから得た。機械の仕様およびプロセス条件を、以下の表１および２に記載する。
〔実施例１〕例示的な加工デンプン組成物（デンプン：グリセロール‐３．３４：１）の調製方法
３．３４部のデンプンおよび１部のグリセロールを、水を添加せずに、リボンミキサー中において室温で混合した。デンプンおよび相溶化剤を含むブレンドを供給し、同時回転ツインスクリュー押出機（Ｏｍｅｇａ４０Ｈ（Ｓｔｅｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＰｖｔＬｔｄ．製））を通して搬送し、加工デンプン組成物を押出機の排出ゾーンから得た。機械の仕様およびプロセス条件を、以下の表１および２に記載する。
得られた組成物をフィルムの形態でキャストし、得られたフィルム、ならびにＦａｒａｈｎａｋｙ ｅｔ ａｌ．（“Effect of Glycerol On Physical And Mechanical Properties Of Wheat Starch Edible Films”,Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｅｘｔｕｒｅ Ｓｔｕｄｉｅｓ ４４ （２０１３）１７６－１８６ページ）に従って調製されたグリセロール３０重量％を含む従来のキャストフィルムについて溶解度の研究を行った。図２は、本開示の実施形態に従って得られた加工デンプンの、前記従来のキャストフィルムに対する溶解度の比較研究を示す。
観察：本開示による加工デンプン組成物（ＭＳＣ１）は疎水性であり、かつ水に可溶化しない物質をもたらしたが、従来のキャストフィルムは８０℃および任意の温度上昇で水に溶解することが観察された。特に、従来のフィルムは、８０℃で３０％の溶解度を示した。したがって、従来のフィルムとは異なり、開示された加工デンプン組成物のフィルムは耐性があり、その性質を保持し、水に溶解しなかった。これは、開示された加工デンプン組成物における飽和水素結合によって説明することができる。
〔実施例２〕例示的な加工デンプン組成物の熱重量分析
実施例１の方法を繰り返して、加工デンプン組成物のペレットを得た。次いで、加工デンプン組成物のペレットの熱重量分析（ＴＧＡ）を行った。熱重量分析は、熱重量分析装置（パーキンエルマー社製ＴＧＡ４０００）中、窒素雰囲気下、加熱速度１０ｏＣ／分で行った。温度の関数としての重量の変化を記録した。図３は、得られた加工デンプン組成物の熱重量分析を示す。１５０ｏＣで特徴的なピークが観測された。
実施例１の方法を繰り返して、加工デンプン組成物のペレットを得た。次いで、加工デンプン組成物のペレットの熱重量分析（ＴＧＡ）を行った。熱重量分析は、熱重量分析装置（パーキンエルマー社製ＴＧＡ４０００）中、窒素雰囲気下、加熱速度１０ｏＣ／分で行った。温度の関数としての重量の変化を記録した。図３は、得られた加工デンプン組成物の熱重量分析を示す。１５０ｏＣで特徴的なピークが観測された。
〔実施例３〕加工デンプン組成物と生分解性ポリマー－ＰＢＡＴとのブレンドの機械的特性
生分解性ポリマー組成物の調製：例示的な生分解性ポリマー組成物（ＢＰＣ１）を形成するために使用される成分を、以下の表３に列挙する。
生分解性ポリマー組成物は、まず、リボンミキサー中、室温においてデンプンと相溶化剤とを含むブレンドを調製することによって調製した。デンプンと相溶化剤とを含むブレンドを供給し、ツインスクリュー押出機に通して搬送し、加工デンプン組成物を得た。ＰＢＡＴをサイドフィーダーを通してツインスクリュー押出機に供給した。加工デンプンおよびＰＢＡＴをツインスクリュー押出機を通して搬送し、生分解性ポリマー組成物‐ＢＰＣ１をツインスクリュー押出機の排出ゾーンから得た。
生分解性ポリマー組成物の調製：例示的な生分解性ポリマー組成物（ＢＰＣ１）を形成するために使用される成分を、以下の表３に列挙する。
生分解性ポリマー組成物は、まず、リボンミキサー中、室温においてデンプンと相溶化剤とを含むブレンドを調製することによって調製した。デンプンと相溶化剤とを含むブレンドを供給し、ツインスクリュー押出機に通して搬送し、加工デンプン組成物を得た。ＰＢＡＴをサイドフィーダーを通してツインスクリュー押出機に供給した。加工デンプンおよびＰＢＡＴをツインスクリュー押出機を通して搬送し、生分解性ポリマー組成物‐ＢＰＣ１をツインスクリュー押出機の排出ゾーンから得た。
この生分解性ポリマー組成物の機械的特性を、Ｃａｎ ｅｔ ａｌ（ＰＢＡＴ／熱可塑性デンプンブレンド：“Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｏｘｉｄｉｚｅｄ ｓｔａｒｃｈ ａｎｄ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｚｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ”；ＡＩＰ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ １９１４、０７０００４（２０１７））に開示されているＰＢＡＴ／熱可塑性デンプンブレンドの機械的特性と比較した。表４には、生分解性ポリマー組成物の機械的特性と、この従来技術のポリマー組成物との比較を示す。
観察：開示された加工デンプンを含む生分解性ポリマー組成物は、同じ重量比の従来の既知のＰＢＡＴおよびデンプンのブレンドと比較した場合、機械的特性の有意な改善を示すことが観察された。
〔産業上の利用可能性〕
開示された加工デンプン組成物は高度に安定であり、水に不溶性であり、最小またはゼロの親水性を示す一方で、高度の生分解性を示す。加工デンプン組成物は、食品グレードの生分解性包装材料としての用途を見出す。したがって、加工デンプン組成物は、食品および非食品用途において、化石燃料系プラスチックの代替物を提供する。
加工デンプン組成物は、好気性分解および嫌気性分解の両方を受けやすい。
加工デンプン組成物は、生分解性ポリマー、例えば、ポリブチレンアジペートテレフタレート（ＰＢＡＴ）、ポリカプロラクトン（ＰＣＬ）、ポリブチレンスクシネートアジペート（ＰＢＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）と組み合わせて、生分解性ポリマー組成物を形成することができる。このような生分解性ポリマーは、例えば、ストロー、飲料ボトル、およびキャリーバッグとしての用途を見出すが、これらに限定されない。
開示された加工デンプン組成物は、機械的特性の有意な改善を示しながら、より高い割合（５０％を超える）のデンプンを含む生分解性ポリマー組成物を調製することを可能にする。したがって、開示された加工デンプン組成物は、生分解性ポリマー組成物を調製するコストを低減する。
Claims (12)
- デンプンと、グリセロール、グリセリン、ソルビトールおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される相溶化剤とを、２：１～４：１の重量比率で含む加工デンプン組成物であって、
前記加工デンプン組成物は、約８０℃の温度において、水中で１５％未満の溶解度指数を有し、
前記加工デンプン組成物の熱重量分析は、１２０℃～１８０℃の範囲の温度で特徴的なピークを示す、加工デンプン組成物。 - 前記デンプンおよび前記相溶化剤が、３．３４：１の重量比率である、請求項１に記載の組成物。
- 前記デンプンおよび前記相溶化剤が、２：１のモル比である、請求項１に記載の組成物。
- 前記デンプンが、ジャガイモ、コムギ、トウモロコシ、キャッサバ、イネ、エンドウ豆デンプンおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される天然デンプンである、請求項１に記載の組成物。
- 前記デンプンが、酸化された、カルボキシメチル化された、ヒドロキシアルキル化された、酵素処理されたデンプンからなる群から選択される化学的または物理的に加工されたデンプンである、請求項１に記載の組成物。
- 前記相溶化剤がグリセロールである、請求項１に記載の組成物。
- 前記加工デンプン組成物が、冷水中で５％未満の溶解度指数を有する、請求項１に記載の組成物。
- 前記加工デンプン組成物が、クロロホルム中で５％未満の溶解度指数を有する、請求項１に記載の組成物。
- 充填剤、乳化剤、芳香剤、精油、脂肪酸およびそれらの組み合わせからなる群から選択される添加剤をさらに含む、請求項１に記載の組成物。
- 前記加工デンプン組成物がペレットの形態である、請求項１に記載の組成物。
- 前記加工デンプン組成物がキャストフィルムの形態である、請求項１に記載の組成物。
- 請求項１に記載の加工デンプン組成物を含むキャストフィルムであって、約８０℃の温度において水中で１５％未満の溶解度指数を有する、キャストフィルム。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| IN202141001725 | 2021-01-14 | ||
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| JP2023542905A Pending JP2024502667A (ja) | 2021-01-14 | 2022-01-13 | 加工デンプン組成物 |
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-
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- 2022-01-13 WO PCT/IB2022/050243 patent/WO2022153202A1/en active Application Filing
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