2017-生鲜食品气调包装新型材料的研究进展_赵珂.pdf

341 生鲜食品气调包装新型材料的研究进展 赵 珂 焦文晓 姜微波 中国农业大学食品科学与营养工程学院 北京 100083 收稿日期 2017 02 27 作者简介 赵珂 1993 女 硕士研究生 研究方向 果蔬保健功能成分 E mail 545828323 通讯作者 姜微波 1963 男 博士 教授 研究方向 果蔬衰老机理与控制技术 果蔬保健功能成分 饮食安全与健康 E mail jwb 基金项目 公益性行业 农业 科研专项经费 201303075 摘 要 在过去的几年中 生鲜食品的消费量随着人们对其营养品质的认识提高而日益增长 为了适应这种趋势 除 了增加产量以外 发展有效的采后贮藏 包装技术是一种重要的解决途径 气调包装是生鲜食品最适宜的包装技术之 一 具有延长货架期 保存及稳定新鲜食品的性能 并且使产品方便运输与售卖 影响气调包装的因素有很多 主要有 生鲜食品的种类 贮藏温度与湿度 气体成分以及包装材料的特点 本文总结了近年来有关气调包装新型材料的研究 进展 着重介绍了抗氧化活性膜 纳米保鲜膜及生物可降解膜的最新研究 以期推动气调包装的应用与发展 为满足消 费者的需求 研究出高品质的 环境友好的 成本低的新型气调包装提供依据 关键词 气调包装 生鲜食品 新型材料 esearch progress of new materials in modified atmosphere packing of fresh foods ZHAO Ke JIAO Wen xiao JIANG Wei bo College of Food Science and Nutritional Engineering China Agricultural University Beijing 100083 China Abstract In the past few years with people s cognition of their nutritional function the consumption of fresh and fresh cut produces has increased sturdily In order to adopt to this trend it is an important way to develop effective post harvest storage and packaging technology in addition to increasing production Modified atmosphere packaging MAP possesses a potential to become one of the most appropriate technologies it has advantages of extending the shelf life preserving or stabilizing the desired properties of fresh produces and convenience in handing and distribution The success of MAP fresh foods depends on many factors including types of fresh foods storage temperature and humidity gas composition and the characteristics of package materials This paper reviewed the recent developments highlighting the antioxidant active film the nano packaging film and the biodegradable film Although the innovations and development of food packaging technology will continue to promote the development of novel MAP concentrated research and endeavors from scientists and engineers are still important to the development of MAP that focuses on consumers requirements enhancing product quality environmental friendly design and cost effective application Key words modified atmosphere packaging fresh foods new materials 中图分类号 TS255 文献标识码 A 文 章 编 号 1002 0306 2017 18 0341 06 doi 10 13386 j issn1002 0306 2017 18 064 气调包装是一种用于延长生鲜或微加工食品货 架期的技术 1 它是通过改善包装产品正常的气氛 条件 从而达到增加食品保质期的目的 2 生鲜食品 与其他食品相比 具有更高的呼吸率及水活性 因此 更易发生质量恶化 且保质期短 因此使用气调包装 成为理想的选择 生鲜食品包装中的有益环境条件 如氧气 二氧 化碳和相对湿度等因素 取决于包装内设定气氛 生 鲜食品的采后生理 如呼吸强度 聚合物薄膜对水 蒸气和气体的渗透性及包装的质量 如泄露 等 因 此除去气调包装传统材料外 向其中添加功能性成 分 如抗氧化性物质等对各种类型的生鲜食品在采 后的贮运与销售起到至关重要的作用 3 因此 近年 来气调包装新型材料的研究越来越被重视 虽然这 些新型材料远不能替代传统气调包装材料 但它们 在这一领域的应用很有前景 且较传统材料具备更 多优良特性 本文总结了抗氧化活性膜 纳米保鲜 膜和生物可降解膜的相关性能的最新研究进展 另 外 也讨论了气调包装未来的发展趋势与方向 1 生鲜食品传统包装材料 目前市场出售的用于生鲜食品的保鲜膜主要是 一些一种或多种由石油提炼而来的聚烯烃类物质 由 342 于其具备多种生鲜食品所需的性能因此被广泛使用 其中 聚乙烯是生鲜食品包装中用量最多的单聚合物 其惰性极强 在正常条件下没有危害 4 乙烯基聚合 物是另一种乙烯基单体聚合成的塑料多聚体 在食品 包装中多用于制备液体的瓶子 新鲜果蔬或鸡蛋的托 盘等 除此之外 聚酯工业约占全世界聚合物产量的 18 虽种类较多 但聚酯大多用来指 PET 4 表 1 中 列举了常见食品气调包装材料的性能 4 7 表 1 常见食品气调包装材料性能对比 Table 1 Contrast on performance of common food modified atmosphere packaging materials 密度 g cm 3 结晶度 透气性 水蒸气透过率 g m 2 d O 2 渗透率 cm 3 m 2 d atm CO 2 渗透率 cm 3 m 2 d atm 应用范围 熔解温度 Tm 成本 低密度 聚乙烯 LDPE 0 915 0 940 50 75 良好隔绝水蒸气 不能有效阻断 O 2 和 CO 2 6 23 2 3900 13000 7700 77000 容器 保鲜膜 和塑料袋 105 115 最低 线性低密度 聚乙烯 LLDPE 0 900 0 935 LDPE 比 LDPE 对气体和 水蒸气的渗透率低 16 31 7000 9300 15105 43165 购物袋 垃圾袋 122 124 低 高密度 聚乙烯 HDPE 0 941 0 965 75 90 比 LDPE 和 LLDPE 差 4 10 520 4000 3900 10000 容器 塑料袋 奶瓶等吹塑产品 128 138 低 聚氯乙烯 PVC 1 16 1 35 大多数非晶体 有良好的气体 阻隔性 湿气 阻隔性适中 30 40 硬质 15 40 增塑 150 350 450 1000 硬质 1500 46000 增塑 建材 塑料瓶 212 廉价 聚偏二 氯乙烯 PVDC 1 60 1 71 结晶 良好的气体 水蒸气和气味 阻隔性能 1 5 5 8 26 50 150 透明 拉伸好 不透水的 食品包装 160 172 较高 聚苯乙烯 PS 1 02 1 05 0 032 0 160 完全非晶体 不能阻碍水蒸气 对气体有极好 的阻碍作用 100 125 5000 18000 托盘 盒子 盖子 无 低廉 聚酯 PET 1 370 非晶体 1 455 半晶体 上限为 70 对水分和气体具 有良好的阻隔性 50 100 非定向 45 定向 255 510 非定向 221 定向 液体的塑料包装 食品托盘 245 265 较高 注 水蒸气透过率是在 37 8 和 90 H 条件下测定 O 2 渗透率和 CO 2 渗透率是在 22 25 和膜厚度为 0 0254 mm 条件下测 定 根据食物类型的不同来选择适宜的气调包装是 十分重要的 贾晓辉等研究了 5 种不同包装材料对 库尔勒香梨采后生理及贮藏品质的影响 得出采用 0 04 mm PE 袋或 0 04 mm PVC 袋能得到较好保鲜效 果 8 何萌等利用 3 种不同 PE 袋对鲜切马铃薯进 行贮藏保鲜 得到 PE2 型材料能够延缓组织内丙二 醛 MDA 的积累 包装内 O 2 和 CO 2 更易于达到平 衡 有效抑制褐变及呼吸速率的加剧 9 选择何种气 调包装涉及多种因素 除去薄膜包装材料自身性能 和生鲜食品本身特点之外 还由食品放置空间的温 度 湿度 空气成分以及是否需要长途运输 运输方 式等共同决定 近年来 新鲜 营养 安全 方便和无公害的生鲜食 品受到全世界消费者的青睐 虽然使用传统的塑料薄 膜包装有利于保持生鲜食品的良好品质 但随着生鲜 食品内部呼吸强度增加 长时间的无氧呼吸会使生鲜 食品发生病变 带来不利影响 10 但无论是从传统气 调包装的成本 现有的工业技术 还是它自身的特性来 说 传统材料的优势都是现阶段无可替代的 2 新型包装材料 2 1 抗氧化活性膜 氧化反应是生鲜食品的一个重要的降解反应 它严重地限制了食物的货架期并且降低了食物的营 养品质 如维生素 脂肪酸等被破坏 感官品质 11 如颜色变化 风味改变等 生鲜制品由于酶活高 存在糖类易降解 脂类易腐败 酚酸类易变色等问 题 12 13 因此使用具有抗氧化活性的薄膜材料对新鲜 果蔬进行包装的方式近些年来受到高度重视 且近 些年来天然抗氧化剂的添加成为趋势 抗氧化活性膜是通过将抗氧化剂添入包装材料 或涂布在包装材料上 在一定时间或空间内包装材 料内部的活性抗氧化剂可以以较缓慢的速度释放到 包装内部 以此来对食品起到抗氧化作用的一种新 型包装材料 14 与传统包装相比 这一新型材料具 有以下几个优点 需要的抗氧化剂更少 能够使抗氧 化剂从薄膜缓慢转移至食物组分中 制造成膜这一 个过程消除了工业加工的很多步骤 如生产食品添 加剂 添加入食品 搅拌混合等 15 因此具有替代传 统包装材料的潜力 为生鲜食品的包装提供了更多 选择 2 1 1 抗氧化膜的基材 抗氧化活性膜主要由两大 部分构成 即抗氧化膜基材与抗氧化剂 合适的基 材对于抗氧化膜的制备 使用以及商业化都有重要 意义 常见的抗氧化基材的原料多为传统包装材料 采用的聚烯烃类聚合物 因为它们具有稳定的化学 性质及作为包装材料优越的物理性质 Nerin 等 16 利用聚丙烯 PP 作为基材 向其中添加迷迭香提取 物制成薄膜 用于延长包装食品的货架期 取得显著 成效 值得一提的是 采用双分子层材料作为基材 时 薄膜上的抗氧化性物质不易发生迁移 对食品更 加安全且风味影响较低 17 除了一些人工合成的高 聚物外 目前另一个研究热点就是将天然高分子材 料作为抗氧化薄膜的基材 壳聚糖是非可塑材料 343 表 2 新型抗氧化活性膜的构成 Table 2 The composition of novel antioxidant active films 抗氧化膜基材 抗氧化剂 备注 PP 迷迭香提取物 以抗坏血酸 二价铁离子和脂肪酸 亚麻籽油 为类型代表检测抗氧化性能 除抗 坏血酸外 对二价铁离子和脂肪酸的保护率分别提升到 30 1 和 62 0 11 HDPE BHT 薄荷精油 将豆油在 40 下贮存 2 个月 比较豆油的脂肪酸 过氧化值等参数 得到添加 BHT 或薄荷精油作为抗氧化剂得到的各项指标无显著差异 16 双分子层 PE PE PE 纸 橄榄提取物 叶 茎 双分子层的包装能够使橄榄提取物不发生迁移 即更好的保存在包装内 且抗氧 化剂和食物组分不产生直接接触 更加安全且利于保持食品风味 17 LDPE 生育酚 MCM 41 介孔分子筛 先将 生育酚吸附在 MCM 41 介孔分子筛上之后再结合到 LDPE 基材上 生 育酚的释放延长了 36 在 LDPE 膜上的扩散率降低了 53 18 壳聚糖 香芹酚 石榴皮提取物 分别将香芹酚 石榴皮提取物和二者混合物与壳聚糖基材结合 3 种材料均显著 降低了透水性 抗张强度以及断裂延伸率 显著提高了总酚含量和抗氧化活性 且香芹酚和石榴皮提取物有协同作用 19 马铃薯淀粉 BHT 绿茶提取物 两者均改善薄膜透水率 机械强度 抗氧化活性等 添加 BHT 作为抗氧化剂的薄 膜对脂质氧化的抑制性更强 添加绿茶提取物作为抗氧化剂的薄膜对高铁血红 蛋白的氧化抑制更有效 20 甲基纤维素 摩塔果提取物 增加抗氧化与抗菌活性 21 浓缩大豆蛋白 红提提取物 红提提取物增加抗氧化活性的同时作为增塑剂 热塑法制膜时 红提提取物能 够显著地使分子键结合重新分配 从蛋白 蛋白间的氢键变为蛋白 多酚间的氢 键 并且二硫键的位置不受影响 22 猪皮明胶 波耳多叶 瓜拉纳 肉桂 迷迭香提取物 4 种添加剂均显著地改变了色泽 并且提高了紫外线阻碍率 得到的机械性各 不相同 但红外光谱和微观结构均显示它们具有很好的兼容性 23 苦豌豆蛋白 石榴汁 提高了薄膜的含水量 总溶解物 断裂伸长率及透湿性 显著降低了抗张强度 成 本较高 24 壳聚糖 原儿茶酸 添加原儿茶酸后的薄膜降低了含水量和透水性 提高了水溶性和抗拉强度 随 着原儿茶酸的增多 抗紫外线能力增强 且薄膜颜色更明显 另外 原儿茶酸的 剂量及使用时间极大影响薄膜的抗氧化性 25 木薯淀粉 迷迭香提取物 迷迭香添加越多 抗氧化活性越高 紫外线的阻隔性能越强 迷迭香提取物抑制 了甘油和淀粉之间的分子结合 从而影响了透水性及机械性的改变 却迁移率 较低 26 若对其进行特殊处理 如酯化或醚化等 壳聚糖内部 结构会发生极大改变 从而得到具备可塑性的薄膜 材料 Yuan 等研制了以壳聚糖为基底的薄膜材料 其中添加了香芹酚与石榴皮提取物 这种材质具有 一定的抗氧化与抗菌性 19 此外选用较多的淀粉类 物质 价格低廉 资源丰富 并且具有热塑性 是很好 的替代材料 26 Inam u Nisa 等利用马铃薯淀粉作为 基底 并添加 BHT 制成新型抗氧化活性膜 将此材料 应用于保鲜牛肉 发现牛肉货架期有明显延长 20 另一类多用作基材的天然高分子物质是明胶 Jeannine 等分别将波耳多叶 瓜拉纳 肉桂及迷迭香 提取物加入猪皮明胶中 制成包装薄膜 23 具体总 结见表 2 16 26 2 1 2 抗氧化活性膜的抗氧化剂 当前已知的用在 包装材料上的抗氧化剂种类很多 主要分为人工合 成和天然产物 但可用在新鲜食品的气调包装上的 抗氧化剂应当满足以下要求 抗氧化效果好 本身及 其分解产物安全无毒害 不影响食品本身性质 方便 生产 成本合理 人工合成抗氧化剂的安全性一直 存在争议 但由于其加工成本低 抗氧化效果优异 其生产与应用仍受到关注 有研究表明 丁基羟基 茴香醚 BHA 2 6 二叔丁基 4 甲基苯酚 BHT 特丁基对苯二酚 TBHQ 没食子酸甲酯 PG 这四 种常见合成抗氧化剂的抗氧化能力强弱依次为 TBHQ BHA PG BHT 四者的热稳定性从强到弱 依次为 PG TBHQ BHA BHT 13 图 1 四种常见合成抗氧化剂的结构 17 Fig 1 Structures for four common synthetic antioxidants 17 天然抗氧化剂是指从天然的可食用的物质中通 过某种技术手段提取出来得到的具有抗氧化活性的 物质 13 世界卫生组织规定 BHA BHT TBHQ 及 PG 的添加量应低于 200 mg kg 且由于人工合成抗氧化 剂一直以来的争议 所以天然抗氧化剂是目前的研 究重点 11 其中最为常见的是酚类物质 由于其具 有极高的抗氧化性且种类多 因此研究最多 Yuan 344 等将香芹酚与石榴皮提取物添加入薄膜 发现添加 抗氧化剂的材料抗氧化活性显著增强 透水性降 低 19 Carol 等把摩塔莓果实的提取物作为抗氧化 剂加入甲基纤维素薄膜中 得到新型材料的抗氧化 能力和多酚含量显著提高 此外薄膜的机械性能与 抗菌性也有很大改善 21 此外 不饱和脂肪酸类和 叶片提取物也常见报道 如牛至油 橄榄叶提取物 等 11 17 Goly 等将 BHT 与薄荷精油分别加入 HDPE 基材中用于包装大豆油进行对比 得到 BHT 与薄荷 精油在对大豆油的抗氧化作用上无显著差别 因此 薄荷精油是优良替代品 16 Inam u Nisa 等将 BHT 与绿茶提取物分别添入马铃薯淀粉基材中用于牛肉 包装 结果显示 BHT 在降低脂质氧化上更有效 而绿 茶提取物能够更加有效地控制牛肉中正铁肌红蛋白 的含量 20 常见抗氧化剂的使用见表 2 生鲜食品存在水分大 呼吸作用强烈等特点 抗 氧化活性膜在抑制氧化腐败 延长货架期等方面表 现出多重优势 抗氧化活性膜的发展仍处于起步阶 段 并未建立起成熟完整的研究应用体系 缺乏系统 性理论知识 如怎样更好地控制抗氧化剂在基材上 的附着率及扩散率 天然抗氧化剂迁移到食物上会 对其产生何种影响 添加天然抗氧化剂对薄膜性质 造成改变的机理等 2 2 纳米保鲜膜 纳米粒子是指尺寸在 1 100 nm 间的颗粒 由其 构成的纳米材料具有普通材料没有的光 电 磁和热 力学等方面的独特性能 近年来 纳米材料逐渐受 到食品行业科研人员的关注 在对生鲜食品包装的 研究中 纳米粒子的加入使薄膜的机械性能 生物降 解性能 抗菌性能等得到了提高 27 纳米保鲜膜弥 补了传统薄膜对 CO 2 和 O 2 渗透调控不足的缺陷 同 时通过添加某些成分达到防霉 抑菌等特殊效果 除 此之外 纳米保鲜膜的应用能够减少防腐剂等人工 添加剂的使用 符合未来市场的要求 具有很广阔的 发展空间 纳米金属抗菌的机制主要分为两种 一种是诱 导破坏微生物膜和改变微生物细胞的渗透能力 另 一种是通过影响酶催化系统与细菌的代谢作用 从 而杀死微生物 28 Zhou 等对聚乙烯 银形成的纳米 结构进行了研究 用这种材料对鲜切的苹果进行包 装时 分别在 5 和 15 下进行贮藏的情况下 果 实的颜色变化显著减小并且失重得到极大缓解 29 此外 对这种材料的安全性检测也显示它是一种可 供选择的安全的食品包装材料 30 Li 等研发了一种 新型纳米材料 是将纳米氧化锌粉末涂布在 PVC 材 料表面 这种材料对降低鲜切苹果的腐烂率有显著 效果 并且能够保持较好的果实品质 31 另外 这种 材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长均有很好 的抑制作用 32 Avella 等将纳米碳酸钙添加至等规 聚丙烯薄膜中以此来减少 O 2 和 CO 2 的透气性 该膜 的保鲜性能已经在苹果片贮藏中被证实 它能延缓 氧化过程 抑制微生物生长并且延长果实的货架 期 33 一些学者已经使用超过 2 种的纳米金属粒子 来制备这种活性包装薄膜 比如使用 LDPE 薄膜作 为基质 向其中添加纳米银颗粒 高岭土 纳米 TiO 2 以及金矿石这种材料 34 还有利用聚乙烯作为基质 添加纳米银颗粒与纳米 TiO 35 2 这两种薄膜都对包 装果实及绿茶有良好保护作用 由于以羟丙甲纤维 素为基底的纳米薄膜不具有任何抗菌性能 Ploy Klangmuang 等将泰国精油添入其中 得到的新型材 料能够改善薄膜的机械强度 抗菌活性等 36 Yang 等以壳聚糖和聚丙烯醇为基质 添加木质素的纳米 颗粒制成新型材料 此材料能够显著抑制革兰氏阴 性菌的生长 降低软腐病的发生 37 Magdalena 等以 羟丙甲纤维素为基底 添加负载绿茶提取物的多聚 乳酸的纳米颗粒后制成了复合薄膜 这种材质可以 清除制品自由基 能够延长脂肪含量较高食品的保 质期 38 纳米技术的迅速发展为食品保鲜领域提供了一 些新方法 但是 目前对纳米保鲜膜的研究尚存在 一些不足 如纳米粒子与高分子材料或有机高分子 聚合物之间的作用机理有待深入研究 另外 纳米 保鲜膜的成膜基材种类较少 且造价较高 开发更多 成本低的材料也是一大研究方向 纳米保鲜膜除在 新鲜果蔬中使用外 其他食材很少见到 亟待扩展 随着这些问题的解决 纳米技术将更好地应用于食 品保鲜领域 对食品保鲜技术的发展具有重要意义 2 3 生物可降解膜 生物可降解高分子材料是指在一定的条件下 能被微生物或其分泌物降解的高分子材料 39 大多 数可降解薄膜由有机聚合物制成 如明胶 40 大米淀 粉壳聚糖等 41 好氧微生物将其降解为 CO 2 H 2 O 及 微量无机材料 无氧微生物将其降解为 CH 4 CO 2 以 及若干无机物 42 目前报道较多的可降解塑料主要 有光降解塑料 生物降解塑料以及光 生物降解塑料 等 结合我国国情与可持续发展的路线方针 生物 可降解材料以它独一无二的特征在食品包装领域中 占据着重要的地位 值得一提的是 适当的水分和 透气性对微生物污染及害虫防控十分必要 因此 当 可降解薄膜作为食品包装材料时 这些因素必须 考虑 43 胡云峰等在纤维素膜中添加了抑菌成分 以期 改善薄膜性能 结果表明青霉能将其完全降解 44 国 外也有类似地以纤维素为基材的薄膜报道 45 张晓 燕等选用完全可降解性聚碳酸亚酯 PPC 聚乙烯醇 PVA 和海藻糖为制膜材料 并用复合成的新型薄 膜对冷鲜肉进行真空包装 研究显示 此复合材料能 够良好地抑制微生物生长 延长货架期以及保持肉 品色泽 46 另外 有研究表明将有机聚合物或纳米 材料与淀粉和粘土混合形成的纳米复合材料能够显 著地提高薄膜材料的性能 47 Sakshi 的团队将莲藕 根茎淀粉 乳清蛋白浓缩物与车前子壳相结合制成 复合可降解薄膜 较单一原料具有更强的物理特 性 48 值得一提的是 在对高粱淀粉进行酸与氧化 双重改性后得到的材料提高了硬度与拉伸性 这对 需要刚性包装的生鲜食品具有重要意义 49 345 生物可降解膜在生鲜食品包装领域的应用已日 益商业化 但其也存在成本高 性能不佳 加工工艺 有待完善等缺陷 因此一定程度上限制了它的应用 发展 面对日益严重的环境污染 加大生物可降解 膜的研究力度十分必要 3 气调包装的未来发展方向 随着生鲜食品行业的迅速发展 研发高效 环保 的保鲜包装材料必然成为热点 气调包装是生鲜及 鲜切食品包装最具潜力的技术之一 它能够显著地 延长制品的货架期 并且能够保持或稳定生鲜食品 原有的性能 此外其设计更方便食品作为商品进行 运输与售卖 但气调包装仍面临一些挑战 比如生 产新型气调包装材料的一些成分造价较高 对贮藏 温度的精确度要求较高以及不同产品需要不同的气 体构成等问题 对于不同的果蔬 肉类以及水产品 来说 在贮藏期间所需的气体构成与温度都不尽相 同 目前 几乎所有的气调包装都有其本身的优点与 局限性 在选择时需要考虑微生物安全与产品稳定 性之间的平衡 此外 多种性能共有的薄膜包装材料成为趋势 本文讨论的 3 种新型材料中有多种均是抗氧化 可 降解的纳米材料 因此 怎样将更多优良特性结合在 一起 并且选取价格低廉 生产方便 适用面广的新 型材料也成为了当前研究的一大趋势 现阶段 气 调包装活跃的研究领域主要是将天然或合成的添加 剂与其他保鲜技术相结合作用于产品 不同保鲜技 术间的协同作用既为气调包装的发展提供了巨大的 机遇 也面临重大挑战 如何做好保鲜新技术之间的 结合将成为气调包装发展的关键所在 参考文献 1 Sandhya Modified atmosphere packaging of fresh produce Current status and future needs J LWT Food Science and Technology 2010 43 381 392 2 McMillin KW Where is MAP Going A review and future potential of modified atmosphere packaging for meat J Meat Science 2008 80 43 65 3 Mangaraj S Goswami TK Mahajan PV Applications of plastic films for modified atmosphere packaging of fruits and vegetables a review J Food Engineering eviews 2008 80 43 65 4 obertson GL Food packaging principles and practice second edition M C C Taylor Francis Group 2006 5 389 5 Schlimme DV ooney ML Packaging of minimally processed fruits and vegetables M In Wiley C Editor Minimally Processed efrigerated Fruits and Vegetables New York Chapman and Hall 1994 135 182 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