Höhere Pektinausbeuten mittels Ultraschall-Extraktion

Die Ultraschall-Extraktion verhilft zu höherer Pektin-Ausbeute und herausragender Qualität. Mit Hilfe der Ultraschall-Extraktion können wertvolle Pektine effizient aus Fruchtabfällen (z.B. Nebenprodukten der Saftverarbeitung) und anderen biologischen Rohstoffen hergestellt werden. Die Ultraschall-Extraktion von Pektinen übertrifft andere Extraktionstechniken durch höhere Ausbeuten, eine bessere Pektinqualität sowie ein schnelles Extraktionsverfahren.

Intensivierte Pektin-Extraktion mittels Sonifizierung

Pektin wird als Gelier-, Emulgier- und Verdickungsmittel in zahlreichen Lebensmitteln sowie als Inhaltsstoff in Kosmetika und Arzneimitteln verwendet. Die herkömmliche industrielle Pektinextraktion erfolgt durch Heißwasserextraktion, bei der das Rohmaterial wie Zitrusschalen, Apfeltrester und andere Fruchtabfälle über einen langen Zeitraum in 60-100°C heißem Wasser bei niedrigem pH-Wert (ca. pH 1,5 - 3,5) eingeweicht wird. Dadurch wird die herkömmliche Heißwasserextraktion zu einem zeit- und energieaufwändigen Verfahren, das oft nicht einmal effizient genug ist, um die gesamte im Rohstoff vorhandene Menge an Pektinen freizusetzen.
Um die Ineffizienz der konventionellen Pektinproduktion zu überwinden, wird die Ultraschallextraktion als prozess-intensivierende Technik eingesetzt, welche die Extraktionszeit verkürzt und die Pektinausbeute im Vergleich zur traditionellen Heißwasserextraktion deutlich maximiert.

Vorteile der ultraschall-gestützten Pekin-Extraktion

Die Ultraschall-Extraktion wird in vielen Bereichen der Extraktherstellung eingesetzt, z.B. bei Pflanzen- und Kräuterextrakten für Lebensmittel, Nahrungsergänzungsmittel, Pharmazeutika und Kosmetika. Ein sehr prominentes Beispiel für die Ultraschall-Extraktion ist die Gewinnung von Cannabidiol (CBD) und anderen Verbindungen aus der Cannabispflanze.
Die Ultraschallextraktion ist eine nicht-thermische Extraktionstechnik, die dadurch die bioaktiven Verbindungen vor der hitze-induzierten Zersetzung bewahrt. Alle Ultraschall-Prozessparameter, wie Amplitude, Intensität, Zeit, Temperatur und Druck, können exakt gesteuert werden. Dies ermöglicht eine präzise Prozess- und Qualitätskontrolle und macht es einfach, einmal erzielte Extraktionsergebnisse zu wiederholen und zu reproduzieren. Extraktionshersteller schätzen Ultraschall wegen der zuverlässigen Prozesswiederholbarkeit, welche die Standardisierung von Prozessen und Produkten vereinfacht.

Prozessparameter für die Ultraschall-Extraktion von Pektin

  • Intensität der Beschallung
  • Temperatur
  • pH-Wert
  • Zeit
  • Partikelgröße des Rohmaterials

 

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Das Ultraschallgerät UIP4000hdT ist ein leistungsstarker Extraktor für die industrielle Pektinproduktion.

Das Ultraschallextraktionsgerät UIP4000hdT ist ein 4kW starker Extraktor für die industrielle Pektingwinnung.

Die botanische Extraktion mit Ultraschall bringt höhere Ausbeuten. Der Hielscher UIP2000hdT, 2000 Watt Homogenisator ist leistungsfähig genug, um Batch-Behälter von 10 bis 120 Litern schnell und zuverlässig zu extrahieren.

Ultraschall-Extraktion von pflanzlichen Stoffen - 30 Liter / 8 Gallonen Batch

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Die Bestimmung und Kontrolle aller relevanten Prozessparameter ermöglicht es, den Ultraschall-Extraktionsprozess auf höchste Effizienz und beste Extraktqualität zu optimieren.
So ist beispielsweise die Partikelgröße des Rohmaterials (z. B. Zitrusschalen) ein wichtiger Faktor: Eine kleinere Teilchengröße bedeutet eine größere Oberfläche, auf die die Ultraschallwellen einwirken können. Eine kleine Teilchengröße führt somit zu einer höheren Pektinausbeute, einem geringeren Methylierungsgrad und einem größeren Anteil an Rhamnogalacturonan-Regionen.
Der pH-Wert des Extraktionslösungsmittels (d. h. Wasser + Säure) ist ein weiterer wesentlicher Parameter. Wenn Pektin unter sauren Bedingungen extrahiert wird, werden viele verzweigte Rhamnogalacturonan-Bereiche des Polymers zersetzt, so dass hauptsächlich "gerade" Homogalacturonan-Bereiche mit einigen neutralen Zuckermolekülen, die an oder in der linearen Hauptkette gebunden sind, übrig bleiben.
Die Pektinextraktion mittels Ultraschall verkürzt die Extraktionszeit und senkt die erforderliche Prozesstemperatur, wodurch die Möglichkeit einer unerwünschten Pektinmodifikation durch Säuren verringert wird. Dies ermöglicht den Einsatz von Säuren unter beengten Bedingungen, um Pektine exakt auf die Produktanforderungen zu modifizieren.

Was macht die Ultraschall-Extraktion von Pektin so effizient?

Die Effekte der Ultraschallextraktion wirken sich direkt auf die Schwellung, Perforation und den Aufschluss der Zellwände aus. Der durch Ultraschall verursachte Massentransfer bewirkt die Hydratation von pektinösem Material in der Mittellamelle, wodurch das pflanzliche Gewebe aufgeschlossen wird. Zudem werden die Zellwände durch die Ultraschallkavitation und die Scherkräfte des Ultraschalls aufgebrochen. Diese Mechanismen führen zu den hocheffizienten Ergebnissen der Ultraschallextraktion.

Ultraschall-extrahiertes Pektin (auch akustisch kavitationsunterstütztes extrahiertes Pektin, abgekürzt ACAE), das ein geringeres Molekulargewicht und einen niedrigeren Methoxylierungsgrad aufwies, war im Vergleich zu konventionellem wärmeextrahiertem Pektin aus chemischer und FT-IR-Analyse reicher an Rhamnogalacturonan-I-Region mit langen Seitenketten. Der Energieverbrauch für die Pektinextraktion mit Ultraschall war deutlich geringer als bei der herkömmlichen Erhitzungsmethode, was auf eine vielversprechende Anwendung im industriellen Maßstab hindeutet.
(vgl. Wang et al., 2017)
Wang und seine Kollegen (2017) unterstreichen auch, dass die ultraschallgestützte Extraktion nachweislich ein wirtschaftlicheres und umweltfreundlicheres Verfahren mit höherer Effizienz und geringeren Kosten im Vergleich zur herkömmlichen Wärmeextraktion ist.
 

Die Ultraschallextraktion fördert die enzymatische Extraktion von Pektinen aus Zuckerrübenschnitzeln erheblich. Die REM-Bilder zeigen die Auswirkungen der Ultraschallbehandlung auf den Zellaufschluss und die Pektinfreisetzung.

SEM der restlichen Zuckerrübenschnitzel bei 1000-facher Vergrößerung: (a) vor der Extraktion und nach der Extraktion von Pektin mit (b) Xylanasae (250 U/g), (c) Cellulase (300 U/g), (d) Xylanasae+Cellulase (1:1), (e) Xylanasae+Cellulase (1:1,5) und (f) Xylanasae+Cellulase (1:2).
(Studie und Bilder: Abou-Elseoud et al., 2021)

 

Wie funktioniert die Ultraschall-Extraktion von Pektin?

Die Ultraschallextraktion basiert auf den sonomechanischen Effekten des hochintensiven Ultraschalls. Um die Pektinextraktion durch Ultraschall zu fördern und zu intensivieren, werden Hochleistungs-Ultraschallwellen über eine Ultraschallsonotrode (auch Ultraschallhorn oder Ultraschallstab genannt) in das flüssige Medium, d.h. die aus dem pektinhaltigen Rohstoff und dem Lösungsmittel bestehende Slurry, eingekoppelt. Die Ultraschallwellen durchlaufen die Flüssigkeit und erzeugen abwechselnd Niederdruck-/Hochdruckzyklen. Während der Niederdruckzyklen entstehen winzige Vakuumblasen (sogenannte Kavitationsblasen), die über mehrere Druckzyklen wachsen. Während dieser Zyklen des Blasenwachstums treten die in der Flüssigkeit gelösten Gase in die Vakuumblase ein, so dass die Vakuumblase an Größe zunimmt. Ab einer bestimmten Größe, wenn die Blasen keine weitere Energie aufnehmen können, implodieren sie während eines Hochdruckzyklus heftig. Die Blasenimplosion ist gekennzeichnet durch intensive Kavitationskräfte, einschließlich sehr hoher Temperatur- und Druckwerte, die bis zu 4000K bzw. 1000atm erreichen, sowie entsprechend hohe Temperatur- und Druckunterschiede. Diese durch Ultraschall erzeugten Turbulenzen und Scherkräfte brechen Pflanzenzellen auf und setzen die intrazellulären Pektine in das wasserbasierte Lösungsmittel frei. Da die Ultraschallkavitation einen hochintensiven Stoffaustausch erzeugt, führt die Beschallung zu außergewöhnlich hohen Ausbeuten innerhalb einer sehr kurzen Verarbeitungszeit.

Ultraschalldisruptoren werden für Extraktionen aus Phytoquellen (z.B. Pflanzen, Algen, Pilze) eingesetzt.

Ultraschallextraktion aus Pflanzenzellen: Der mikroskopische Querschnitt (TS) zeigt den Wirkungsmechanismus der Ultraschallextraktion aus Zellen (Vergrößerung 2000x)[Quelle: Vilkhu et al. 2011].

Das Ultraschallgerät UIP2000hdT ist ein 2kW-Extraktor für die industrielle Pektinproduktion.

Ultraschall-Batchextraktor UIP2000hdT mit Cascatrode

Aus Fruchtabfällen extrahierte Pektine

Die Ultraschallextraktion ist sehr effizient, um aus Zitrusabfällen hochwertige Pektine zu gewinnen.Fruchtabfälle wie Schalen, Fruchtmarkrückstände (nach der Fruchtsaftpressung) und andere Fruchtnebenprodukte sind oft reiche Pektinquellen. Während Fruchtabfallprodukte häufig als Tierfutter verwendet werden, ist die Pektingewinnung eine alternative, gewinnbringendere Nutzung von Fruchtabfällen.
Die Pektinextraktion mit Ultraschall wird bereits erfolgreich mit Schalen von Zitrusfrüchten (z. B. Orangen, Mandarinen, Grapefruit), Melonenschalen, Apfeltrester, Zuckerrübenschnitzel, Mangoschalen, Tomatenabfällen sowie Jackfruit-, Passionsfrucht- und Feigenschalen durchgeführt.

Fallstudien zur Ultraschall-Extraktion von Pektin

Aufgrund der Nachteile der konventionellen Pektinextraktion mittels Hitzebehandlung haben Forschung und Industrie bereits innovative Alternativen wie die Ultraschallextraktion untersucht und in die produktonslinien implementiert. Dadurch stehen bereits zahlreiche Informationen über Prozessparameter für verschiedene Rohstoffe sowie Daten zur Prozessoptimierung zur Verfügung.

Ultraschall-Extraktion von Pektin aus Apfeltrester

Dranca und Oroian (2019) untersuchten den ultraschall-gestützten Extraktionsprozess von Pektin aus Apfeltrester unter Anwendung verschiedener Ultraschallbedingungen und unter Verwendung eines Box-Behnken Response Surface Designs. Sie fanden heraus, dass die Ultraschallamplitude die Ausbeute und den Veresterungsgrad des extrahierten Pektins stark beeinflusst, während der Extraktions-pH einen großen Einfluss auf alle drei untersuchten Faktoren, d.h. die Ausbeute, den GalA-Gehalt und den Veresterungsgrad, hatte. Die optimalen Bedingungen für die Extraktion waren 100% Amplitude, ein pH-Wert von 1,8, ein Fest-Flüssig-Verhältnis von 1:10 g/mL und 30 min Beschallung. Unter diesen Bedingungen betrug die Pektinausbeute 9,183% und hatte einen GalA-Gehalt von 98,127g/100 g und einen Veresterungsgrad von 83,202%. Um die Ergebnisse von ultraschall-extrahiertem Pektin in Beziehung zu kommerziellem Pektin zu setzen, wurden Pektinproben, die durch Ultraschallextraktion unter optimalen Bedingungen gewonnen wurden, mit kommerziellen Zitrus- und Apfelpektinproben mittels FT-IR, dynamische Differenzkalorimetrie (DSC), rheologischer Analyse und Rasterelektronenmikroskopie verglichen. Die ersten beiden Techniken hoben einige Besonderheiten der durch Ultraschallextraktion extrahierten Pektinprobe hervor, wie den engeren Verteilungsbereich des Molekulargewichts, die geordnete Molekularanordnung und den hohen Veresterungsgrad, der dem der kommerziell erhältlichen Apfelpektine ähnlich ist. Die Analyse der morphologischen Merkmale der mit Ultraschall gewonnenen Proben zeigt ein Bestimmungsmuster zwischen der Verteilung der Fragmentgrößen dieser Probe und ihrem GalA-Gehalt auf der einen Seite und der Wasseraufnahmekapazität auf der anderen Seite. Die Viskosität der mit Ultraschall extrahierten Pektinlösung war viel höher als die der Lösungen, die mit handelsüblichem Pektin hergestellt wurden, was möglicherweise auf die hohe Konzentration von Galakturonsäure zurückzuführen ist. Wenn man auch den hohen Veresterungsgrad in Betracht zieht, könnte dies erklären, warum die Viskosität für das ultraschall-extrahierte Pektin höher war. Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass Reinheit, Struktur und rheologisches Verhalten des mittels Ultraschallextraktion aus Apfeltrester von Malus domestica 'Fălticeni' gewonnenen Pektins auf eine vielversprechende industrielle Anwendung dieser löslichen Faser versprechen. (vgl. Dranca & Oroian 2019)

Die Ultraschall-Pektinextraktion zeichnet sich aus durch

  • Höhere Erträge
  • schnellere Verarbeitung
  • mildere Verarbeitungsbedingungen
  • Verbesserte Gesamteffizienz
  • einfacher und sicherer Betrieb
  • schneller ROI

Hochleistungs-Ultraschallextraktoren für die Pektinherstellung

Ultraschallextraktor UIP4000hdT mit Durchflusseinrichtung zur PektinextraktionDie Ultraschall-Extraktion ist eine zuverlässige Verarbeitungstechnologie, welche die Herstellung von hochwertigen Pektinen aus verschiedenen Rohstoffen wie Zitrusfrucht-Restprodukten und -Schalen, Apfeltrester und vielen anderen pflanzlichen Rohstoffen erleichtert und beschleunigt. Das Portfolio von Hielscher Ultrasonics umfasst das gesamte Spektrum von kompakten Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu industriellen Extraktionssystemen. Dadurch können wir bei Hielscher Ihnen das für Ihre geplante Prozesskapazität am besten geeigneten Ultraschallgerät anbieten. Unsere langjährig erfahrenen Mitarbeiter begleiten Sie von der Machbarkeitsprüfung über die Prozessoptimierung bis hin zur Installation der Ultraschallanlage in Ihrer Produktionslinie.
Aufgrund der platzsparenden Stellfläche unserer Ultraschall-Extraktoren sowie ihrer vielseitigen Installationsmöglichkeiten passen diese selbst in beengte Pektin-Verarbeitungsanlagen. Ultraschallprozessoren werden weltweit in Produktionsanlagen für Lebensmittel, Pharmazeutika und Nahrungsergänzungsmittel eingesetzt.

Hielscher Ultrasonics – Hochentwickelte Extraktionssysteme

Das Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics umfasst die gesamte Palette von Hochleistungs-Ultraschallextraktoren: Dazu gehören kompakte, leistungsstarke Laborhomogenisatoren sowie industrielle Hochleistungs-Ultraschallgeräte. Zusätzliches Zubehör ermöglicht die einfache Zusammenstellung der für Ihren Pektinextraktionsprozess am besten geeigneten Ultraschallgerätekonfiguration. Die optimale Ultraschall-Konfiguration hängt von der geplanten Kapazität, dem Volumen, dem Rohmaterial und dem Batch- bzw. Inline-Prozess ab.

Batch und Inline

Hielscher Ultraschallgeräte können für die Verarbeitung im Batch sowie im kontinuierliche Durchfluss eingesetzt werden. Die Ultraschall-Batch-Verarbeitung eignet sich ideal für die Prozessprüfung/Machbarkeiststudie und die Prozessoptimierung sowie für kleine bis mittlere Produktionschargen. Für die Herstellung großer Pektinmengen ist die Inline-Verarbeitung vorteilhafter. Ein kontinuierlicher Inline-Mischprozess erfordert ein ausgeklügeltes Setup – bestehend aus einer Pumpe, Schläuchen oder Rohren und Tanks -, aber sie ist hocheffizient, schnell und erfordert wesentlich weniger Arbeit. Hielscher Ultrasonics hat die am besten geeignete Extraktionsanlage für Ihr Extraktionsvolumen und Ihre Prozessziele.

Ultraschall-Extraktoren für jede Produktkapazität

UIP4000hdT Ultraschallreaktor für die Inline-Beschallung im industriellen MaßstabDie Produktpalette von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum der Ultraschallprozessoren ab, von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Tisch- und Pilotsysteme bis hin zu vollindustriellen Ultraschallprozessoren mit der Kapazität zur Bearbeitung von LKW-Ladungen pro Stunde. Die vollständige Produktpalette ermöglicht es uns, Ihnen den am besten geeigneten Ultraschall-Extraktor für Ihre pektinhaltigen Rohstoffe, Ihre Prozesskapazität und Ihr Produktionsziel anzubieten.
Ultraschall-Bechtop-Systeme sind ideal für Machbarkeitstests und Prozessoptimierung. Das lineare Scale-up auf der Grundlage etablierter Prozessparameter macht es sehr einfach, die Verarbeitungskapazitäten von kleineren Losen auf die vollständig kommerzielle Produktion zu erhöhen. Das Sclae-up kann entweder durch die Installation eines leistungsstärkeren Ultraschall-Extraktionssystems oder durch den parallelen Cluster-Aufbau mehrerer Ultraschallgeräte erfolgen. Mit dem UIP16000 bietet Hielscher den weltweit leistungsstärksten Ultraschall-Extraktor an.

Präzise kontrollierbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Hielscher Ultraschallgeräte sind präzise steuerbar und damit zuverlässige Arbeitstiere in der Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, welcher die Effizienz und Effektivität der Ultraschall-Extraktion von Pektin aus Obst- und Bioabfällen beeinflusst.
Hielscher-Ultraschallgeräte können über eine Browsersteuerung ferngesteuert werden. Die Beschallungsparameter können überwacht und exakt an die Prozessanforderungen angepasst werden.Alle Hielscher Ultrasonics‘ Prozessoren ermöglichen die präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Booster-Hörner sind Zubehörteile, welche es erlauben, die Amplitude in einem noch größeren Spektrum zu verändern. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und liefern die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle Anwendungen. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich betrieben werden.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die permanente Überwachung der Ultraschallprozessparameter durch eine intelligente Software geben Ihnen die Möglichkeit, Ihr Rohmaterial unter den effektivsten Ultraschallbedingungen zu behandeln. Optimale Beschallung für beste Extraktionsergebnisse!
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7/365-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen. Das macht die Ultraschallgeräte von Hielscher zu einem zuverlässigen Arbeitsgerät, das Ihre Extraktionsanforderungen erfüllt.

Einfache, risikofreie Erprobung

Ultraschallprozesse können vollständig linear skaliert werden. Das bedeutet, dass jedes Ergebnis, das Sie mit einem Labor- oder Tisch-Ultraschallgerät erzielt haben, auf exakt die gleiche Leistung mit den exakt gleichen Prozessparametern skaliert werden kann. Dies macht Ultraschall ideal für risikofreie Machbarkeitsprüfungen, Prozessoptimierung und die anschließende Implementierung in die kommerzielle Fertigung. Kontaktieren Sie uns, um zu erfahren, wie die Beschallung Ihre Pektinextraktproduktion steigern kann.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Unternehmen setzt Hielscher auf höchste Qualitätsstandards für seine Ultraschallprozessoren. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin entwickelt, hergestellt und gründlich getestet. Robustheit und Zuverlässigkeit machen Hielscher Ultraschallgeräte zu einer zuverlässigen Technologie in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist ein selbstverständliches Merkmal der Hielscher Hochleistungsmischer.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Bitte verwenden Sie das untenstehende Formular, um weitere Informationen über Ultraschallextraktoren für die Pektinherstellung, Anwendungen und Preise anzufordern. Wir freuen uns darauf, Ihren Pektinextraktionsprozess mit Ihnen zu besprechen und Ihnen ein Ultraschallsystem anzubieten, das Ihre Anforderungen erfüllt!









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Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Technikum, in der Pilotanlage sowie in der industriellen Produktion eingesetzt. Die Ultraschallbehandlung ist hocheffizient bei der Herstellung von langzeitstabilen Nanoemulsionen.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.


Über Pektine

Pektin ist ein verzweigtes Heteropolysaccharid, das aus langkettigen Galakturonansegmenten und anderen neutralen Zuckern wie Rhamnose, Arabinose, Galaktose und Xylose besteht. Genauer gesagt ist Pektin ein Block von Co-Polymeren, der aus 1,4-α-verknüpfter Galakturonsäure und 1,2-verknüpfter Rhamnose mit Seitenverzweigungen aus β-D-Galaktose, L-Arabinose und anderen Zuckereinheiten besteht. Da in Pektin mehrere Zuckereinheiten und verschiedene Stufen der Methylveresterung vorkommen, hat Pektin kein definiertes Molekulargewicht wie andere Polysaccharide. Pektin, das für die Verwendung in Lebensmitteln spezifiziert ist, ist definiert als ein Heteropolysaccharid mit mindestens 65 % Galakturonsäureeinheiten. Durch Anwendung spezifischer Extraktionsbedingungen können Pektine erfolgreich modifiziert und funktionalisiert werden, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen. Die Herstellung funktionalisierter und modifizierter Pektine ist für spezielle Anwendungen von Interesse, z.B. niedrig-methoxyliertes Pektin für Pharmazeutika.


Literatur / Literaturhinweise

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