全 文 ：2011 年 12 月
第 26 卷第 12 期
中国粮油学报
Journal of the Chinese Cereals and Oils Association
Vol． 26，No． 12
Dec. 2011
超高压提取苦荞黄酮的工艺优化及动力学模型
王居伟1 马挺军1 陕 方2 贾昌喜1
(北京农学院食品科学学院1，北京 102206)
(山西省农业科学院农产品加工研究所2，太原 030031)
摘 要 为获得超高压提取苦荞黄酮的最佳工艺条件，并描述提取的动力学过程，以压力、保压时间、乙
醇体积分数和液料比为试验因子，苦荞黄酮得率为响应值，分别采用单因素试验和 Box － Behnken 试验对工艺
条件进行优化。根据 Fick第一扩散定律，以所得数据为样本建立超高压提取苦荞黄酮的动力学模型。结果表
明:影响苦荞黄酮得率的因素主次顺序为乙醇体积分数 ＞液料比 ＞压力 ＞保压时间。确定超高压提取苦荞黄
酮的最佳工艺条件为:压力 388． 1 MPa，保压时间 8． 09 min，乙醇体积分数 95． 31%，液料比 19． 82 mL·g －1，在
此条件下苦荞黄酮得率为 2． 185%，优于传统的回流提取。
关键词 苦荞黄酮 超高压 提取 动力学模型
中图分类号:TS201． 1 文献标识码:A 文章编号:1003 － 0174(2011)12 － 0093 － 07
基金项目:国家现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS －
08 － D － 2)
收稿日期:2011 － 02 － 25
作者简介:王居伟，男，1987 年出生，硕士，天然产物提取与利用
通讯作者:马挺军，男，1973 年出生，副教授，天然产物提取与
利用
苦荞为蓼科双子叶植物，又名鞑靼荞麦(Fagopy-
rum tataricum)［1］。苦荞籽粒营养丰富，并含有一些
其他粮食作物不含或少含的营养物质，包括生物类
黄酮、多肽、糖醇和 D － 手性肌醇等高活性功能成
分［2 － 3］。苦荞黄酮是存在于苦荞的花、茎、叶和籽粒
中的一种多酚类天然产物，主要包括芦丁、槲皮素、
异槲皮苷、牡荆苷、异牡荆苷、山奈酚和山奈酚 － 3 －
O －芸香糖苷等，其中芦丁含量最高，约占 75% 以
上［1］。苦荞黄酮的含量因不同阶段、不同器官而有
所不同，以花、叶的含量最高，外层粉、壳、心粉中含
量较低［4 － 5］。据研究苦荞黄酮类化合物具有抑制心
肌损伤，降血脂，增强免疫力，抗氧化和抑菌杀菌等
作用［6 － 10］。目前荞麦黄酮的提取方法包括回流提取
法、酶法提取、超声提取、微波提取、超滤法和超临界
流体萃取法等［11 － 16］，其中主要采用回流提取法。本
试验采用超高压技术提取苦荞粉中黄酮的工艺，设
定不同压力、保压时间、乙醇体积分数和液料比，比
较提取得率，确定最佳工艺条件。
1 材料与方法
1． 1 仪器与试剂
UHPF /3 L /600 MPa超高压处理设备:包头科发
公司;TU － 1800 紫外可见光分光光度计:北京普析
通用仪器有限公司;FW100 粉碎机:天津市泰斯特
仪器有限公司;101A － 2 干燥箱:上海市实验仪器
总厂;RE － 52AA 旋转蒸发仪:上海亚荣生化仪器
厂。
苦荞:由山西农科院提供，在 65 ℃条件下烘干
至恒重，粉碎后过 60 目筛，保存备用。
芦丁标准品:中国食品药品检定研究院;乙醇、
亚硝酸钠(分析纯) :北京化工厂;无水三氯化铝(分
析纯) :天津市津科精细化工研究所。
1． 2 试验方法
1． 2． 1 标准曲线的测定
准确称取芦丁标准品 20 mg，用 70%乙醇溶解并
定容至 50 mL。分别移取标准溶液 0、2． 0、4． 0、6． 0、
8． 0、10． 0 mL 于 50 mL 容量瓶中，加 70% 乙醇至
10 mL。另加 5% NaNO2 溶液 2 mL，摇匀放置 6 min，
加 10% Al(NO3)3 溶液 2 mL，摇匀放置 6 min 后加
4% NaOH溶液 20 mL，用 70%乙醇定容至刻度，摇匀
静置 15 min，于 510 nm 波长处测定吸光度。以芦丁
含量为横坐标，吸光度为纵坐标作标准曲线。通过
线性拟合得到回归方程 y = 363． 61x + 0． 017 3(R2 =
0． 999 8) ，其中 x 为芦丁含量 / g，y 为波长 510 nm 处
测定吸光值。结果表明芦丁含量在 0． 000 8 ～
0． 004 0 g范围内与吸光值线性关系良好。
1． 2． 2 样品处理
准确称取一定质量的苦荞粉，按照设定液料比
中国粮油学报 2011 年第 12 期
加入一定量乙醇水溶液混匀，抽真空密封于铝箔袋
中。将其置于超高压容器内(T = 18 ℃) ，按照设计
参数进行处理。卸压后分离液渣并回收溶剂。剩余
物用 70%乙醇溶解并定容至 50 mL。样品测定时精
确吸取 2 mL，操作同 1． 2． 1，根据回归方程计算苦荞
粉中黄酮含量。
苦荞黄酮得率 Y =提取样品中黄酮含量
样品总质量
× 100%
1． 2． 3 提取工艺设计
分别考察不同压力、保压时间、乙醇体积分数和
液料比对苦荞粉中黄酮含量的影响，以确定各因素
合适范围。在单因素试验基础上，综合考虑 4 个因
素对提取物中黄酮得率的影响，并根据 Box － Be-
hnken的中心组合试验设计原理对各因素进行 3 水
平试验设计。表 1 为试验因子编码表。
表 1 苦荞黄酮提取因素及水平
水平
因素
压力 /MPa 保压时间 /min 乙醇体积分数 /% 液料比 /mL·g － 1
1 450 10 80 30
0 300 7 50 20
－ 1 150 4 20 10
2 结果与分析
2． 1 提取压力对苦荞黄酮得率的影响
在保压时间 6 min、乙醇体积分数 80%、液料比
30 mL·g －1、室温条件下考察不同提取压力对黄酮
得率的影响，结果如图 1。
图 1 不同提取压力对苦荞黄酮得率的影响
由图 1 可知，在 100 ～ 400 MPa的范围内，压力增
大得率增加 21． 81%。增大压力可以提高苦荞细胞
内外压力差，从而加快溶剂通过苦荞粉颗粒表面毛
细孔浸润到组织细胞内部的速率，并在短时间内达
到溶解平衡。迅速卸压过程中反向压力差作为传质
动力，加快了有效成分向外扩散的速率，且提取溶剂
所形成的强涡流使细胞的细胞壁和细胞内各种膜发
生破碎等变化，扩大了溶剂与组织的接触面积，降低
了有效成分的传质阻力，提高了得率［17］。在 400
MPa时可能苦荞蛋白和多糖分子之间形成静电复合
物，从而阻塞通路，导致得率降低［18 － 19］。高压处理
使苦荞蛋白分子内部疏水性氨基酸残基暴露出来，
表面疏水区域增加，吸附部分自由黄酮，导致得率降
低［18］。
2． 2 保压时间对苦荞黄酮的影响
在乙醇体积分数 80%、提取压力 300 MPa、液料
比 30 mL·g －1、室温条件下考察不同保压时间对苦
荞黄酮得率的影响，结果如图 2。
图 2 保压时间对苦荞黄酮得率的影响
由图 2 可知，保压时间在 4 ～ 8 min 范围内，随
时间延长，苦荞黄酮得率增长 6． 51%，在 8 ～ 16 min
范围内得率仅增加 3． 34%。由于提取压力较高，溶
剂能在较短时间内渗透到细胞内部，且黄酮的溶解
扩散迅速达到平衡，因此苦荞黄酮提取时间较短。
确定超高压提取苦荞黄酮的提取时间在 8 min最适
宜。
2． 3 乙醇体积分数对苦荞黄酮的影响
在提取压力 300 MPa、保压时间 6 min、料液比
30 mL·g －1、室温条件下考察不同乙醇体积分数对
苦荞黄酮得率的影响，结果如图 3。
图 3 乙醇体积分数对苦荞黄酮得率的影响
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由图 3 可知，乙醇体积分数在 25% ～ 50%范围
内，乙醇体积分数增大得率增加 1． 48 倍;乙醇体积
分数在 50% ～ 75%范围内，随乙醇体积分数提高得
率变化缓慢，仅增加 7． 42%;继续提高乙醇体积分
数，得率有所下降。可能的原因是:当乙醇体积分数
超过 75%时，色素、醇溶性杂质，亲脂性强的成分溶
出量增加，与黄酮类物质竞争，导致得率下降。
2． 4 液料比对苦荞黄酮的影响
在乙醇体积分数 80%、提取压力 300 MPa、保压
时间 6 min、室温条件下考察不同液料比对苦荞黄酮
得率的影响，结果如图 4。
图 4 液料比对苦荞黄酮得率的影响
由图 4 可知，液料比在 10 ～ 20 mL·g －1范围内，
黄酮得率随液料比提高增大了 19． 60%;在 20 ～
50 mL·g －1范围内，随液料比增大得率变化不明显。
在提取过程中，苦荞粉中黄酮浓度逐渐降低，溶液中
浓度逐渐提高。液料比越大，浓度梯度越大，扩散速
率越大。进一步提高液料比会因溶液中黄酮浓度变
化不大而使曲线趋于平缓。试验确定液料比为
20 mL·g －1较为适宜。
2． 5 超高压提取苦荞黄酮工艺参数优化
采用 Box － Behnken 试验设计研究压力、保压时
间、乙醇体积分数和液料比对苦荞黄酮得率的影响，
并建立数学模型，以确定苦荞黄酮提取的最优条件。
2． 5． 1 数学模型的建立和显著性检验
试验设计及结果见表 2。
采用 Design － Expert 7． 0． 0 软件对 Box － Be-
hnken试验的数据进行拟合，整理得到苦荞黄酮得率
(Y)的回归方程:
Y = 1． 56 + 0． 036X1 + 0． 027X2 + 0． 94X3 +
0． 056X4 － 0． 12X
2
1 － 0． 061X
2
2 － 0． 33X
2
3 － 0． 081X
2
4 +
0． 001 6X1X2 +0． 068X1X3 + 0． 011X2X3 － 0． 090X1X4 +
0． 024X2X4 － 0． 009 6X3X4 (1)
表 2 Box － Behnken试验设计及结果
编号
X1
压力
/MPa
X2
保压时间
/min
X3
乙醇体积分数
/%
X4
液料比
/mL·g － 1
Y
得率
/%
1 － 1 0 0 － 1 1． 123
2 0 1 0 － 1 1． 455
3 0 0 0 0 1． 562
4 0 0 1 － 1 2． 023
5 0 1 1 0 2． 095
6 0 1 － 1 0 0． 203
7 － 1 0 0 1 1． 508
8 1 0 1 0 2． 262
9 0 1 0 1 1． 538
10 0 0 － 1 1 0． 288
11 1 0 0 － 1 1． 331
12 0 0 0 0 1． 524
13 1 － 1 0 0 1． 372
14 1 0 － 1 0 0． 157
15 － 1 － 1 0 0 1． 296
16 1 1 0 0 1． 454
17 0 － 1 1 0 2． 059
18 0 － 1 0 1 1． 419
19 0 0 0 0 1． 481
20 0 － 1 － 1 0 0． 210
21 0 － 1 0 － 1 1． 432
22 0 0 1 1 2． 097
23 0 0 0 0 1． 522
24 1 0 0 1 1． 357
25 － 1 0 － 1 0 0． 187
26 － 1 0 1 0 2． 021
27 － 1 1 0 0 1． 371
28 0 0 0 0 1． 726
29 0 0 － 1 － 1 0． 175
表 3 回归系数方差分析
回归方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值
模型 11． 54 14 0． 82 128． 87 ＜ 0． 000 1
X1 0． 015 1 0． 015 2． 38 0． 145 4
X2 0． 009 1 1 0． 009 1 1． 42 0． 253 9
X3 10． 71 1 10． 71 1 673． 95 ＜ 0． 000 1
X4 0． 037 1 0． 037 5． 79 0． 030 5
X1X2 0． 000 01 1 0． 000 01 0． 001 6 0． 968 4
X1X3 0． 018 1 0． 018 2． 86 0． 112 8
X1X4 0． 032 1 0． 032 5． 06 0． 041 2
X2X3 0． 000 5 1 0． 000 5 0． 074 0． 789 7
X2X4 0． 002 3 1 0． 002 3 0． 36 0． 557 5
X3X4 0． 000 4 1 0． 000 4 0． 058 0． 813 9
X21 0． 093 1 0． 093 14． 46 0． 001 9
X22 0． 025 1 0． 025 3． 83 0． 070 5
X23 0． 69 1 0． 69 108． 57 ＜ 0． 000 1
X24 0． 043 1 0． 043 6． 70 0． 021 4
总方差 0． 090 14 0． 006 4
失拟项 0． 053 10 0． 005 3 0． 58 0． 777 0
误差 0． 036 4 0． 009 1
总和 11． 63 28
R2 0． 984 6
变异系数 6． 06
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中国粮油学报 2011 年第 12 期
由表 3 可知，回归模型的决定系数 R2 为
0． 984 6，回 归 模 型 达 到 高 度 显 著 水 平 (P ＜
0． 000 1)。其中，一次项、二次项对试验结果有显
著性影响。且失拟项 P = 0． 777 0 ＞ 0． 05，影响不显
著，说明该回归模型与实测值能较好地拟合。对表
3 中各回归系数进行 t 检验，根据 α = 0． 05 显著水
平剔除方程(1)中不显著的回归系数，简化后的回
归方程为:
Y =1． 56 +0． 94X3 + 0． 056X4 － 0． 12X
2
1 － 0． 33X
2
3 －
0． 081X24 －0． 090X1X4 (2)
2． 5． 2 主效应分析
由于式(1)中各因素均经无量纲线性编码处理，
且所有回归系数之间都是不相关的，因此，可以由回
归系数绝对值的大小来直接比较各因素一次项对苦
荞黄酮得率的影响［20］。4 个试验因素的效应影响大
小排序为:乙醇体积分数 ＞ 液料比 ＞ 压力 ＞ 保压
时间。
2． 5． 3 单因素效应分析
将式(1)中 4 个因素中的 3 个固定在零水平，分
别得到压力(X1)、保压时间(X2)、乙醇体积分数
(X3)、液料比(X4)的单因素模型，分别为式(3)～式
(6)。将 4 个因素分别固定在 － 2，－ 1，0，+ 1，+ 2 的
5 个水平，得到各因子的单因素效果图(图 5)。
压力:^y1 = 1． 56 + 0． 036X1 － 0． 12X
2
1 (3)
保压时间:^y2 = 1． 56 + 0． 027X2 － 0． 061X
2
2 (4)
乙醇体积分数:^y3 = 1． 56 + 0． 94X3 － 0． 33X
2
3 (5)
液料比:^y4 = 1． 56 + 0． 056X4 － 0． 081X
2
4 (6)
图 5 各单因素水平与苦荞黄酮得率的回归曲线
求各单因素回归方程的极值点，令
dy^i
dXi
= 0(i = 1，
2，3，4) ，得 X*1 = 0． 15(相当于压力为 322． 5 MPa) ，
X*2 = 0． 221 3(相当于保压时间为 7． 664 min) ，X
*
3 =
1． 424(相当于乙醇体积分数为 92． 73%) ，X*4 =
0． 345 7(相当于液料比为 16． 73 mL·g － 1)。由图
5 可知，各因素的效应随自变量变化为开口向下的
抛物线，即在所求各极值点处，苦荞黄酮得率最高，
如果偏离极值点会导致得率下降，但下降幅度各
异，其中乙醇体积分数下降最大，保压时间下降最
小。
2． 5． 4 两因素间的交互效应分析
分别固定回归模型中任意两个因素在零水平，
可以得到另外两个因素的双因素模型。在此重点考
察压力(X1)和保压时间(X2) ，压力(X1)和乙醇体积
分数(X3)间的交互效应，并根据模型做出响应面和
等高线图。
图 6 表明压力与保压时间交互作用较弱，最优
点十分接近于压力 300 MPa 和保压时间 7 min，并在
附近达到最大值。
图 6 压力(X1)与保压时间(X2)响应面与等高线图
由图 7 可知，压力与液料比交互作用较为显著，
其最优点接近于压力 300 MPa和液料比 20 mL·g －1，
并在这两点附近达到得率最大值。
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图 7 压力(X1)与液料比(X4)响应面与等高线图
2． 5． 5 确定各因素的最优组合
利用 Design － Expert 7． 0． 0 分析得到一个稳定
点:压力 388． 1 MPa，保压时间 8． 09 min，乙醇体积分
数 95． 31%，液料比 19． 82 mL·g －1，并判断该点为最
大值点，苦荞黄酮得率为 2． 291%。按所得条件重复
验证 3 次，得到苦荞黄酮平均得率为 2． 185%，略低
于预测值。
2． 6 对比试验
参照前人所得苦荞黄酮热回流提取工艺条件进
行对比试验［21］，结果见表 4。试验表明超高压提取
得率明显优于热回流提取，且具有提取时间短，操作
简便等优点。
表 4 回流提取和超高压提取最优条件结果比较
提取方法 最优提取条件 得率
超高压提取
压力 388． 1 MPa，保压时间 8． 09 min，乙醇
体积分数 95． 31%，液料比 19． 82 mL·g － 1
2． 185%
回流提取
提取温度 65 ℃，乙醇体积分数 75%，液料
比 10 mL·g － 1，提取时间 4 h
1． 982%
2． 7 超高压提取苦荞黄酮的动力学模型
2． 7． 1 动力学模型的建立
超高压提取由 3 个步骤组成，一是溶剂向组织
内部渗透，二是溶质溶解并扩散到固液界面，三是溶
质从固液界面向溶剂主体扩散。其中，提取速率主
要由第 3 步决定［22］。
由 Fick第一扩散定律可得:
dn
dt = － DS
dc
d( )x (7)
式中:n为苦荞黄酮的物质的量，D为扩散系数，
S为固液界面积，dcdx为浓度梯度，负号表示扩散沿浓
度梯度减小方向进行。
在提取过程中，苦荞粉中黄酮浓度逐渐降低，溶
液中黄酮浓度则不断提高。因此在固液界面层中，
黄酮浓度梯度
dc
dx不断减小，可表示为:
dc
dx = at
b(a ＞ 0，－ 1 ＜ b ＜ 0) (8)
超高压提取中，扩散系数 D 主要与扩散面处的
物质浓度 c及压力 P有关［23 － 24］，可表示为:
D = D0P
mcn(m，n ＞ 0) (9)
式中:D0 为固有扩散系数，与扩散体系的特性及
温度等因素有关。
将式(8)、(9)代入式(7)中，假定溶液中苦荞黄
酮的物质的量在反应开始时为 0，t时刻为 cV，其中 V
为溶液体积，积分可得:
c =
(1 － n)aD0SP
mtb + 1
V(b + 1[ ])
1
1 － n
(10)
设苦荞粉粒数目为 ω，颗粒粒度为 σ，质量为 G，
密度为 ρ，则:
S = kωσ2 (11)
G = kωρσ3 (12)
由式(11)与式(12)得:
S = KG
σ
(13)
式中:K = kρk
。
另设液料比为 M，R为苦荞粉充分润湿时所需的
溶剂体积与质量之比，经测量 R = 1． 08。
M = VG + R (14)
将式(13) ，(14)代入式(10)得:
c =
(1 － n)aD0KP
mtb + 1
σ(b + 1) (M － R[ ])
1
1 － n
(15)
令 α =
(1 － n)aD0K
σ(1 + b[ ])
1
1 － n
，β = m(1 － n)－ 1，γ =
(b + 1) (1 － n)－ 1，δ = － (1 － n)－ 1，则式(15)可化
为:
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c = αPβ tγ(M － R)δ (16)
以 Box － Behnken 试验数据为样本，采用 SAS
9． 0软件进行回归分析可得:
c = 4． 993P0． 027 1 t0． 003 9(M － 1． 08)－ 0． 818 0
(R2 = 0． 965 1) (17)
式(17)即为超高压提取苦荞黄酮的动力学方
程。
2． 7． 2 动力学模型的验证
设计均匀试验对所得模型进行验证(表 5) ，并对
实测值及预测值进行相关性分析。
表 5 相同条件下实测值与预测值的比较
编号
X1
压力
/MPa
X2
保压
时间
/min
X3
乙醇体
积分数
/%
X4
液料比
/mL·g － 1
c
实测质
量浓度
/g·mL －1
c
预测质
量浓度
/g·mL －1
1 400 16 50 10 0． 917 0． 991
2 200 8 100 20 0． 542 0． 524
3 500 12 75 40 0． 284 0． 298
4 300 4 25 30 0． 342 0． 374
动力学模型的预测值与实测值之间相关性良
好，决定系数 R2 为 0． 986。表明该模型能够较好地
描述超高压提取苦荞黄酮的动力学过程。
3 讨论
已有文献报道超高压提取槐花［25］、金银花［26］、
刺五加叶［27］等材料中总黄酮的工艺条件，结果显示
超高压提取得率高，时间短。田龙［28］报道了水浸提
苦荞黄酮的优化工艺条件为料液比 34∶ 250(g∶ mL) ，
pH 8． 0，100 ℃下提取 105 min，得率为 1． 440%。张
杰［29］研究了超声波法提取苦荞黄酮的优化工艺条件
为乙醇体积分数 80%，提取温度 60 ℃，料液比 1∶ 30
条件下提取 30 min，所得黄酮含量为 0． 095 mg·mL －1。
本文研究了超高压提取苦荞黄酮的工艺，苦荞黄酮
得率为 2． 185%，与其他方法相比，具有得率高，提取
时间短，操作简便等优点，且超高压提取在常温下进
行，避免了因热效应引起黄酮化合物降解以及生理
活性降低，超高压提取天然产物具有可行性。
4 结论
超高压提取苦荞黄酮最优工艺条件为:在压力
388． 1 MPa，保压时间 8． 09 min，乙醇体积分数
95． 31%，液料比19． 82 mL·g －1，黄酮得率为2． 185%。
影响超高压提取苦荞黄酮的各因素主次顺序为:乙
醇体积分数 ＞液料比 ＞压力 ＞保压时间。
建立了超高压提取苦荞黄酮的动力学模型:c =
4． 993P0． 027 1 t0． 003 9(M － 1． 08)－ 0． 818 0(R2 = 0． 965 1)。
在不同工艺条件下对模型进行验证，模拟值与验证
值相关性良好(R2 = 0． 986) ，表明该模型能够较好地
描述超高压提取苦荞黄酮的动力学过程。
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Technical Optimization and Dynamic Model for Ultrahigh
Pressure Extraction of Buckwheat Flavone
Wang Juwei1 Ma Tingjun1 Shan Fang2 Jia Changxi1
(College of Food Science，Beijing University of Agriculture1，Beijing 102206)
(Agricultural Products Processing Research Institute，Shanxi Academy of Agricultural Sciences2，Taiyuan 030031)
Abstract To find out the optimal extraction condition for the technology of ultrahigh pressure extraction of
buckwheat flavone and describe the dynamic process，the approach was based on the single factor experiments and
Box － Behnken experimental design with pressure，dwell time，concentration of ethanol and the ratio of solvent to ma-
terial as variables and the yield of buckwheat flavone as response value． Based on the Fick＇s first law，the dynamic
model of ultrahigh pressure extraction of buckwheat flavone was established on the data obtained from experiments．
The results showed that the effect order of four factors on the content of buckwheat flavone was as follow:concentra-
tion of ethanol，the ratio of solvent to material，pressure，and dwell time． The optimal extraction conditions were ob-
tained as follow:pressure 388． 1 MPa，dwell time 8． 09 min，the concentration of ethanol 95． 31% and the ratio of
solvent to material 19． 82 mL·g －1 ． Under the optimum conditions，the extraction yield of buckwheat flavone was
2． 185%，higher than that by reflux extraction．
Key words buckwheat flavone，ultrahigh pressure，extraction，dynamic model
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