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第38讲 酶与生物技术在其他方面的应用

考点一 酶的应用

1.酶活力与影响酶活力的因素

(1)酶活力:

也称为酶活性,是指酶催化一定化学反应的能力。

酶活力的高低可以用在一定条件下,酶所催化的某一化学反应的反应速度来表示。

(2)酶的反应速度:

用单位时间内、单位体积中反应物的减少量或产物的增加量来表示。

(3)影响酶活力的因素:

主要有温度、pH和酶的抑制剂等。

2.探究温度和pH对果胶酶活性的影响

(1)实验原理

①果胶酶的活性受温度(或pH)影响,处于最适温度(或pH)时,酶的活性最高。

②果肉的出汁率、果汁的澄清度与果胶酶的活性大小成正比。

(2)实验流程

①处理原料:

搅拌器搅拌制苹果泥

②分组处理:

将分别装有苹果泥和果胶酶的试管在不同温度的恒温水浴中保温(或调节至不同的pH)

③反应阶段:

加入果胶酶反应一段时间

④测量记录:

过滤果汁,用量筒测量果汁体积并记录

3.加酶洗衣粉在洗涤中的作用

(1)加酶洗衣粉:

指含酶制剂的洗衣粉。

(2)酶制剂的种类与洗涤原理

种类

洗涤原理

洗涤的物质种类

蛋白酶

蛋白质→小分子肽或氨基酸

血渍、奶渍等

脂肪酶

脂肪→甘油+脂肪酸

食品的油渍、人体皮脂、口红等

淀粉酶

淀粉→麦芽糖、葡萄糖

来自面条等的污垢

纤维素酶

使纤维的结构变得蓬松

棉纺品的表面浮毛

4.固定化酶和固定化细胞

(1)固定化酶

①形成:

将水溶性的酶用物理或化学的方法固定在某种载体上,使之成为不溶于水而又有酶活性的制剂。

②特性:

与游离酶相比较,稳定性好,与底物和产物容易分离,易于控制,能反复多次使用;便于运输和贮存,有利于自动化生产。

(2)固定化细胞:

是指固定在一定空间范围内的、能够进行生命活动并且可以反复使用的活细胞,又叫作固定化活细胞或固定化增殖细胞。

(3)固定化技术

①概念:

利用物理或化学方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术。

②类型[连一连]

③适用对象:

一般来讲,酶更适合采用化学结合和物理吸附法固定化,而细胞多采用包埋法固定化,这是因为体积大的细胞难以被吸附或结合,而体积小的酶则易从包埋材料中漏出。

5.制备固定化酵母细胞

(1)酵母细胞的活化:

活化就是让处于休眠状态的微生物重新恢复正常的生活状态。

(2)配制物质的量浓度为0.05mol/L的CaCl2溶液。

(3)配制海藻酸钠溶液:

加热溶化海藻酸钠时要注意小火加热,或者间断加热。

(4)海藻酸钠溶液与酵母细胞混合,再转移至注射器中。

(5)固定化酵母细胞:

以恒定的速度缓慢地将注射器中的溶液滴加到配制好的CaCl2溶液中,并浸泡30_min。

(6)用固定化酵母细胞发酵:

将固定好的酵母细胞用蒸馏水冲洗2~3次。

发酵时的温度为25_℃。

(选修1P44“旁栏思考题”改编)

(1)为什么在混合苹果泥和果胶酶之前,要将果泥和果胶酶分装在不同的试管中恒温处理?

(2)在探究温度或pH对酶活性的影响时,是否需要设置对照?

如果需要,又应该如何设置?

答案:

(1)将果泥和果胶酶分装在不同的试管中恒温处理,可以保证底物和酶在混合时的温度是相同的,避免了果泥和果胶酶混合时影响混合物的温度,从而影响果胶酶的活性。

(2)需要设置对照实验。

不同的温度梯度之间或不同的pH梯度之间就可以作为对照,这种对照称为相互对照。

1.普通洗衣粉的洗涤原理:

表面活性剂可以产生泡沫,将油脂分子分散开;水软化剂可以分解污渍等。

2.加酶洗衣粉的优点

(1)含蛋白酶的洗衣粉能将血渍、奶渍等含有的大分子蛋白质水解成可溶性的氨基酸或小分子的肽,使污渍从衣服上脱落,所以加酶洗衣粉比不加酶洗衣粉洗涤效果好。

(2)可以降低表面活性剂和三聚磷酸钠的用量,使洗涤剂朝低磷、无磷的方向发展,减少对环境的污染。

酶可以将大分子有机物分解为小分子有机物,小分子有机物易溶于水,从而与纤维分开。

3.固定化酶与固定化细胞的比较

项目

固定化酶

固定化细胞

固定酶的种类

一种

一系列

适用方法

化学结合法、物理吸附法

包埋法

特点

优点

酶既可与反应物结合,又可与产物分离,固定在载体上的酶可反复利用

成本低,操作容易

缺点

一种酶只能催化一种或一类化学反应

可能导致反应效率下降

实例

固定化葡萄糖异构酶

固定化酵母细胞

1.工业生产果汁时,常常利用果胶酶破除果肉细胞壁以提高出汁率,为研究温度对果胶酶活性的影响,某同学设计了如下实验:

①将果胶酶与苹果泥分装于不同试管中,在10℃水浴中恒温处理10min(如图A)。

②将步骤①处理后的果胶酶和苹果泥混合,再次在10℃水浴中恒温处理10min(如图B)。

③将步骤②处理后的混合物过滤,收集滤液,测果汁量(如图C)。

④在不同温度条件下重复以上实验步骤,并记录果汁量如下表:

温度/℃

10

20

30

40

50

60

70

80

果汁量/mL

8

13

15

25

15

12

11

10

根据上述实验,请分析回答下列问题:

(1)果胶酶能除去细胞壁,是因为果胶酶可以促进细胞壁中________的水解。

(2)实验结果表明,实验所测温度中,当温度为________时果汁量最多,此时果胶酶的活性________。

当温度再升高时,果汁量降低,说明_______________________________。

(3)实验步骤①的目的是________________________________________________。

解析:

(1)高等植物细胞壁和胞间层的主要组成成分之一是果胶,而果胶酶则是水解果胶的一类酶的总称。

(2)通过表中数据可知,在40℃时,产生的果汁量最多,在题中所给的温度范围内,40℃时酶活性最高。

当温度再升高时,出汁量降低,酶的活性降低。

(3)因为酶具有高效性,使底物与酶的温度都达到预定值后再混合,可避免其事先发生反应,而引起结果的不准确。

答案:

(1)果胶 

(2)40℃ 最高 酶活性降低

(3)避免果汁和果胶酶混合时影响混合物温度,从而影响果胶酶活性

2.为探究洗衣粉加酶后的洗涤效果,将一种无酶洗衣粉分成3等份,进行3组实验。

甲、乙组在洗衣粉中分别加入一种酶,丙组不加酶,在不同温度下清洗同种化纤布上的2种污渍(血渍含有蛋白质成分,油渍含有动物脂肪成分),其他实验条件均相同,下表为实验记录。

 

水温(℃)

10

20

30

40

50

组别

清除血渍

时间(min)

67

66

88

52

51

83

36

34

77

11

12

68

9

11

67

清除油渍

时间(min)

93

78

95

87

63

91

82

46

85

75

27

77

69

8

68

请回答下列问题:

(1)从实验记录中可以看出,提高洗衣粉去污能力的方法有________________和________________,甲组在洗衣粉中加入了________,乙组在洗衣粉中加入了________。

(2)实验记录中酶的最适宜温度为________℃。

(3)甲、乙组洗涤效果的差异,说明酶的作用具有_______________________________。

(4)如果甲、乙和丙3组均在水温为90℃时洗涤同一种污渍,请比较这3组洗涤效果之间的差异:

____________,并说明理由:

____________________。

解析:

(1)从实验记录中可以看出,酶和适当水温有利于化纤布上污渍的去除,因此提高洗衣粉去污能力的方法有加入各种酶和适宜水温,由实验结果可知,甲组洗衣粉可除去血渍,乙组洗衣粉可除去油渍,由此可判断甲组在洗衣粉中加入了蛋白酶,乙组在洗衣粉中加入了脂肪酶。

(2)在实验记录中,甲组洗衣粉清除血渍、乙组洗衣粉清除油渍所需时间最短的温度都是50℃,因此实验记录中酶的最适宜温度为50℃。

(3)甲、乙组洗涤效果的差异,说明酶的作用具有专一性。

(4)如果甲、乙和丙3组均在水温为90℃时洗涤同一种污渍,效果都不好,因为在90℃高温条件下酶的活性丧失,因此去污能力不强,与没有酶的洗衣粉的洗涤效果相当。

答案:

(1)加入各种酶 适宜水温 蛋白酶 脂肪酶

(2)50 (3)专一性 (4)效果都不好 在90℃高温条件下酶的活性丧失,因此去污能力不强,与没有酶的洗衣粉的洗涤效果相当

3.下图表示制备固定化酵母细胞的过程,请据图回答下列问题:

(1)在缺水状态下,微生物处于休眠状态。

活化就是让处于休眠状态的微生物重新恢复________状态。

活化前应选择足够大的容器,因为酵母细胞活化时________。

(2)影响此实验成败的关键步骤是_______________________,此步的操作应采用__________________。

(3)观察形成的凝胶珠颜色和形状:

形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形,说明____________________。

(4)本实验所用的固定化技术是________,而制备固定化酶则不宜用此方法,原因是________________________________________________________________________。

(5)该实验中CaCl2溶液的作用是________________。

解析:

(1)在缺水状态下,微生物处于休眠状态。

活化就是让处于休眠状态的微生物重新恢复正常的生活状态。

因为酵母细胞活化时体积会变大,活化前应选择足够大的容器。

(2)制备固定化酵母细胞的实验中,影响该实验成败的关键步骤是“配制海藻酸钠溶液”,该过程为了防止原料焦糊,应小火或间断加热。

(3)如果海藻酸钠浓度过高,很难形成凝胶珠;如果浓度过低,形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数目少,影响实验效果。

(4)由于酶分子很小,容易从包埋材料中漏出,因此制备固定化酶不宜采用包埋法。

(5)实验中CaCl2溶液的作用是使胶体聚沉。

答案:

(1)正常的生活 体积会增大

(2)海藻酸钠溶液的配制 小火或间断加热

(3)海藻酸钠的浓度偏高

(4)包埋法 酶分子很小,容易从包埋材料中漏出

(5)使胶体聚沉

考点二 植物有效成分的提取

1.植物芳香油的提取

(1)植物芳香油的来源和性质

①天然香料的来源:

动物和植物。

②特点:

具有很强的挥发性。

③成分:

主要包括萜类化合物及其衍生物。

④玫瑰精油的性质:

化学性质稳定,难溶于水,易溶于有机溶剂。

⑤橘皮精油:

主要成分是柠檬烯,无色透明,具有诱人的橘香味。

(2)玫瑰精油的提取

(3)橘皮精油的提取

2.胡萝卜素的提取与鉴定

(1)胡萝卜素的性质

①物理性质:

胡萝卜素是橘黄色结晶。

②化学性质:

比较稳定,不溶于水,微溶于乙醇,易溶于石油醚等有机溶剂。

(2)胡萝卜素的提取

(3)胡萝卜素的鉴定

①方法:

纸层析法。

②原理:

不同色素在层析液中的溶解度不同,随层析液在滤纸上的扩散速度不同,通过比较提取样品和标准样品层析的结果,可以判断提取样品的纯度。

③实验步骤

量做基线:

在18cm×30cm滤纸下端距底边2cm处做一基线,在基线上取A、B、C、D四点

对照点样:

在A、D点点标准样品,B、C点点提取样品

干燥层析:

吹干滤纸上的溶剂,放入色谱容器中层析

对比观察:

对比观察萃取样品与标准样品的异同

④结果分析(如右图)

a为β胡萝卜素,b为其他色素。

 

(选修1P78“资料一”改编)请回答下列与萃取剂的选择有关的问题:

(1)乙醇和丙酮能用于胡萝卜素的萃取吗?

为什么?

(2)在石油醚、醋酸乙酯、乙醚、苯和四氯化碳这几种有机溶剂中,哪种最适宜用来提取胡萝卜素?

答案:

(1)不能。

胡萝卜素可溶于乙醇和丙酮,但它们是水溶性有机溶剂,因萃取中能与水混溶而影响萃取效果,所以不用它们作萃取剂。

(2)在这五种有机溶剂中,石油醚的沸点最高,在加热萃取时不易挥发,所以石油醚最适宜用作萃取剂。

1.植物芳香油的提取方法

项目

水蒸气蒸馏法

压榨法

萃取法

适用范围

适用于提取挥发性强的芳香油

适用于易焦糊原料的提取

适用范围广,要求原料的颗粒要尽可能细小,能充分浸泡在有机溶剂中

优点

简单易行,便于分离

生产成本低,易保持原料原有的结构和功能

出油率高,易分离

应用实例

玫瑰精油等

橘皮精油等

茉莉精油等

2.植物芳香油提取成功的关键点

(1)水蒸气蒸馏要适当延长蒸馏时间,温度不能太高。

(2)用于萃取的有机溶剂必须事先精制,除去杂质。

(3)压榨时原料必须要浸透,这样压榨时不会滑脱,出油率高,不堵塞筛眼;使用石灰水充分浸泡原料的目的是破坏其细胞结构,分解果胶,防止橘皮压榨时滑脱,提高出油率。

1.我国的柑橘栽种面积较大,用橘皮提取精油不仅创收还环保,橘皮精油的提取具有广阔的开发前景。

请回答下列问题:

(1)橘皮精油的主要成分是____________,常用的提取方法为____________,为了提高出油率,该方法操作时需对橘皮进行____________的预处理。

(2)研究发现采用有机溶剂萃取的方法提取橘皮精油的出油率更高,应选择____________(填“乙醇”或“乙醚”)作为萃取剂,理由是________________________。

若萃取剂的用量与橘皮精油出油率的关系如下图所示,则萃取剂的最佳用量为____________mL。

(3)橘皮精油需要放置在棕色瓶中或避光保存,试分析其原因是________________________。

解析:

(1)橘皮精油的主要成分是柠檬烯,由于橘皮精油的有效成分在用水蒸气蒸馏时会发生部分水解,使用水中蒸馏法又会产生原料焦糊的问题,因此通常采用压榨法提取橘皮精油。

为了提高出油率,需要将橘皮进行干燥去水,并用石灰水浸泡处理。

(2)乙醇能与水以任何比例混溶,而乙醚几乎不溶于水,因此用乙醚提取橘皮精油的出油率更高。

分析题图,当萃取剂的用量为250mL时,出油率较高,且在出油率较高的情况下萃取剂的用量相对较少。

(3)橘皮精油在强光下易分解,因此需放置在棕色瓶中或避光保存。

答案:

(1)柠檬烯 压榨法 干燥去水,并用石灰水浸泡

(2)乙醚 乙醚几乎不溶于水,而乙醇易溶于水 250

(3)橘皮精油在强光下易分解

2.(2020·山东青岛一模)胡萝卜素作为一种重要的天然色素,在人们的日常生活中有着广泛的应用。

胡萝卜素可以通过微生物发酵的方法获得。

研究小组尝试用橙色黏球菌生产胡萝卜素,请回答下列问题:

(1)从富含有机质的土壤中取样后,要进行选择培养,其目的是________________________。

(2)用平板划线法纯化橙色黏球菌,通常使用的划线工具是____________,其灭菌方法是____________。

某个平板共划线5个区域,则该过程中需要从试管中蘸取____________次菌液。

培养一段时间后,挑取平板上形态、大小和隆起度等一致的、橙黄色的____________进行重复培养,直到分离出单一菌株。

(3)用萃取法从该微生物菌体中提取胡萝卜素时,应采用____________加热的方法。

加热时需安装冷凝回流装置,其目的是防止____________。

(4)鉴定萃取物中是否含有胡萝卜素时,通常采用____________法,该方法也可用于分离色素,其原理是________________________________________________。

解析:

(1)从富含有机质的土壤中取样后,要进行选择培养,以增加橙色黏球菌的浓度。

(2)用平板划线法接种时常用的接种工具是接种环,接种环一般用灼烧灭菌的方法灭菌。

平板划线法第二次及以后的划线都是从上一次划线的末端开始的,所以无论划过多少次线,都只需要从试管中蘸取1次菌液。

培养一段时间后,挑取平板上形态、大小和隆起度等一致的、橙黄色的菌落进行重复培养,直到分离出单一菌株。

(3)用萃取法从该微生物菌体中提取胡萝卜素时,应该采用水浴加热的方法;加热时需安装冷凝回流装置,以防止有机溶剂挥发。

(4)鉴定胡萝卜素常用纸层析法,其原理是不同色素在有机溶剂中的溶解度不同。

答案:

(1)增加橙色黏球菌的浓度 

(2)接种环 灼烧灭菌 1 菌落 (3)水浴 有机溶剂挥发 (4)纸层析 不同色素在有机溶剂中的溶解度不同

考点三 蛋白质的提取和分离

1.血红蛋白的提取与分离实验流程

样品处理:

红细胞的洗涤→血红蛋白的释放→分离血红蛋白溶液

粗分离:

用透析法除去血红蛋白溶液中相对分子质量较小的杂质

纯化:

用凝胶色谱法分离相对分子质量不同的蛋白质

纯度鉴定:

一般用SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳法来测定蛋白质的纯度

2.凝胶色谱操作

(1)凝胶色谱柱的制作

准备材料→加工橡皮塞→安装玻璃管。

(2)凝胶色谱柱的装填

①材料:

如交联葡萄糖凝胶。

②方法:

凝胶用蒸馏水充分溶胀后,配成凝胶悬浮液,一次性缓慢倒入色谱柱内。

③注意事项

a.商品凝胶使用前需直接放在洗脱液中膨胀;

b.装填时可轻轻敲动色谱柱,使凝胶装填均匀;

c.不能有气泡存在,防止其搅乱洗脱液中蛋白质的洗脱次序,降低分离效果;

d.不能发生洗脱液流干,露出凝胶颗粒的现象。

④检验:

如果红色区带均匀一致地移动,说明色谱柱制作成功。

(3)样品的加入与洗脱

调整缓冲液面:

与凝胶面平齐

滴加透析样品:

用吸管将1mL透析后的样品加到色谱柱的顶端

样品渗入凝胶床:

打开下端出口,使样品渗入凝胶床内

洗脱:

打开下端出口,用磷酸缓冲液洗脱

收集:

待红色的蛋白质接近色谱柱底端时,用试管收集流出液,每5mL收集一管,连续收集

(选修1P70练习T5改编)红细胞为何适于作蛋白质分离的材料?

答案:

血红蛋白是有色蛋白,因此在凝胶色谱分离时可以通过观察颜色来判断什么时候应该收集洗脱液。

这使血红蛋白的分离过程非常直观,大大简化了实验操作。

1.(2020·河北唐山一中一模)蛋白质提取、分离在分子生物学研究中具有重要意义。

请回答下列问题:

(1)蛋白质提取和分离的步骤一般分为________、________、纯化和纯度鉴定。

(2)若要从红细胞中提取血红蛋白,则要对获得的红细胞进行洗涤、____________和分离血红蛋白溶液、________,才能获得含杂质较少的血红蛋白溶液。

(3)分离血红蛋白溶液环节,试管溶液明显分为4层,我们保留其中的第________层(自上而下),该层溶液的特征是________(颜色等)。

(4)通过________法将样品进一步纯化,经____________法(使用最多的)进行纯度鉴定。

解析:

(1)蛋白质的提取和分离包括样品处理(红细胞的洗涤)、粗分离(血红蛋白的释放、离心分离血红蛋白溶液、透析)、纯化和纯度鉴定。

(2)血红蛋白因含有血红素而呈红色。

若要从细胞中提取血红蛋白,需要对红细胞进行洗涤,去除杂蛋白;将洗涤好的红细胞加水、并充分搅拌使红细胞破裂,释放出血红蛋白;再对血红蛋白溶液进行分离;再加入磷酸缓冲液进行透析。

(3)分离血红蛋白时,从上到下依次是有机溶剂、脂类物质、血红蛋白溶液、红细胞破碎物沉淀,血红蛋白水溶液位于第3层,其特征是红色透明液体。

(4)采用凝胶色谱法对血红蛋白进行纯化。

若要对蛋白质的纯度进行鉴定,常用SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳法。

答案:

(1)样品处理 粗分离 

(2)血红蛋白释放 透析

(3)3 红色透明 (4)凝胶色谱 SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳

2.红细胞中含有大量血红蛋白,我们可以选用猪、牛、羊或其他哺乳动物的血液进行实验来提取和分离血红蛋白。

下图为血红蛋白的提取和分离流程图。

请回答下列问题:

(1)将实验流程补充完整:

A为________________,B为________________。

凝胶色谱法是根据________________________分离蛋白质的有效方法。

(2)红细胞洗涤时洗涤次数不能过少,否则________;离心速度过高和________会使白细胞等一同沉淀,达不到分离的效果。

(3)为了加速膨胀,可以将加入洗脱液的湿凝胶用________法进行加热,这种方法不但节约时间,而且能除去凝胶中可能带有的微生物,排除胶粒内的________。

(4)如果红色区带________________,说明色谱柱制作成功。

答案:

(1)血红蛋白的释放 样品的加入和洗脱 相对分子质量的大小

(2)无法除去血浆蛋白 时间过长

(3)沸水浴 空气

(4)均匀一致地移动

[易误警示]

易错点1 误认为酶都可以直接使用

[点拨] 直接使用酶的三大缺点

(1)酶对环境条件非常敏感,容易失活。

(2)溶液中的酶很难回收,不能被再次利用,提高了生产成本。

(3)反应后酶会混在产物中,可能影响产品质量。

易错点2 胡萝卜素粗品鉴定过程中的5个易错点

[点拨] 

(1)层析时没有选择干净的滤纸,导致实验现象不明显。

为了防止操作时对滤纸的污染,应尽量避免用手直接接触滤纸,可以戴手套进行操作。

(2)点样时点样圆点太大(直径大于2mm),会导致最终在滤纸上形成一条线,无法辨认被提取的色素。

点样圆点的直径应为2mm。

(3)将点好样的滤纸卷成圆筒状,卷纸时不能将滤纸两边相互接触,以避免由于毛细现象导致溶剂沿滤纸两边的移动加快,溶剂前沿不齐,影响结果。

(4)层析液没及样品原点,色素溶解于层析液中,造成实验失败。

层析液不可没及样品原点,以免色素溶解于层析液中,使鉴定失败。

(5)没有设置标准样品作对照。

层析液中是否提取到胡萝卜素,可通过与标准样品中的β胡萝卜素作对比予以确认。

易错点3 不清楚血红蛋白释放时蒸馏水和甲苯的作用

[点拨] 加入蒸馏水的目的是使红细胞吸水涨破;甲苯溶解细胞膜,从而使血红蛋白释放出来。

易错点4 不清楚血红蛋白提取与分离中历次“除杂质”或“分离”的原理

[点拨] 

(1)凝胶色谱法:

相对分子质量较大的分子先流出,相对分子质量较小的后流出,依此可对血红蛋白进行分离和纯化。

(2)透析法:

利用透析袋只允许小分子透出的原理,去除小分子杂质,透析可实现对血红蛋白的“粗分离”。

(3)电泳法:

利用分离样品中各种分子带电性质的差异以及分子本身的大小、形状不同,使带电分子产生不同的迁移速率,从而实现样品中各种分子的分离。

即:

[纠错体验]

1.下列关于酶的说法,错误的是(  )

A.直接将酶制剂添加到洗衣粉中制成加酶洗衣粉

B.加酶洗衣粉也有保质期,时间长了,酶活性会降低或丧失

C.加酶洗衣粉中的纤维素酶不能直接去除污垢,但可以增强洗涤效果

D.固定化酶常用物理吸附法和化学结合法,因为酶分子较小,而固定化细胞常用包埋法,因为细胞较大,难以被吸附或结合

答案:

A

2.下列关于有机成分提取的说法,正确的是(  )

A.胡萝卜含有的胡萝卜素中,最主要的是α胡萝卜素

B.某微生物产生的油脂不易挥发,可选用水蒸气蒸馏法从菌体中提取

C.蒸馏法的实验原理是利用水将芳香油溶解,再把水蒸发掉,剩余的就是芳香油

D.为了充分蒸馏玫瑰油,应该在较低温度下延长蒸馏时间

答案:

D

3.下列关于蛋白质的提取和分离的叙述,错误的是(  )

A.凝胶

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