KR20170063105A - 도라지를 버섯균사체로 고체발효시켜 총페놀성화합물과 베타글루칸의 함량을 증가시키는 발효 방법 - Google Patents

도라지를 버섯균사체로 고체발효시켜 총페놀성화합물과 베타글루칸의 함량을 증가시키는 발효 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도라지를 버섯균사체로 고체발효시켜 총페놀성화합물과 베타글루칸의 함량을 증가시키는 발효 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 도라지 발효를 위하여 다수의 버섯으로부터 버섯균사체 종균을 선별하는 단계와, 버섯균사체를 활용하여 도라지를 고체 발효하는 단계와, 버섯균사체 발효도라지로부터 유효성분을 추출하는 단계로 구성된다.
본 발명의 버섯 균사체에 의해 발효된 도라지는 총페놀성 화합물이 비발효된 대조군 보다는 각각 1.7배 내지 2.5배 증가하였고, β-글루칸은 2.5배 내지 32배로 증가하였다. 또한 도라지의 사포닌 중에서 Platycodin D의 함량이 증가되는 것을 알 수 있다.

Description

도라지를 버섯균사체로 고체발효시켜 총페놀성화합물과 베타글루칸의 함량을 증가시키는 발효 방법{Fermentation Method for Increasing Content of Total Phenolic Compounds and ß-Glucan with Solid Fermented Doraji, Platycodon grandiflorum, using mushroom mycelia}
본 발명은 도라지를 버섯균사체로 고체발효시켜 총페놀성화합물과 베타글루칸의 함량을 증가시키는 발효 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 도라지 발효를 위하여 다수의 버섯으로부터 버섯균사체 종균을 선별하는 단계와, 버섯균사체를 활용하여 도라지를 고체 발효하는 단계와, 버섯균사체 고체발효 도라지로부터 유효성분을 추출하는 단계로 구성된다.
본 발명의 버섯 균사체에 의해 발효된 도라지는 비발효된 대조군 보다 더 총페놀성화합물이 200-250% 증가하고, β-글루칸은 250-500%로 증가한다. 또한 도라지의 사포닌 중에서 Platycodin D의 함량을 증가시킨다.
도라지는 일명 길경(桔梗)으로 불리며, 학명은 Platycodon grandiflorum 이다. 한국, 중국 및 일본에서 자생하는 식물로 채소 및 다년생 약초로 사용되어 왔다. 도라지 추출물의 주성분은 플라티코딘 D(Platycodin D)이며, 이에 결합한 당은 오탄당인 D-apiose로서 플라티코딘(Platycodins)의 생리작용과 밀접한 관계에 있는 것으로, 도라지 내의 주요 사포닌은 Platycodin D이며, 이러한 사포닌류들의 주요 약리 효과로는 동물실험에서 진해, 거담작용, 충추신경 억제작용, 급만성염증, 항궤양 및 위액분비 억제작용, 혈관을 확장하여 혈압을 낮추는 항콜린작용, 혈당강화작용, 콜레스테롤 대사 개선작용 등이 확인되었다.
최근 소비자들의 기능성 건강식품에 관한 관심의 증대와 함께 국내에서 재배된 토종 다년생 도라지의 수요가 증대되고 있으며 이들을 이용한 기능성식품, 비누, 화장품, 음료 등의 다양한 가공품들이 개발되고 있다. 도라지 제품은 생도라지를 제외한 제품군은 도라지절편, 조청, 정과, 농축액, 환, 즙, 분말 등이 주요 제품군으로 시장에서 판매되고 있으며, 최근에는 도라지를 발효시켜 이를 활용한 제품이 조금씩 출시되고 있다.
한편 본 발명과 관련된 종래기술로는 한국특허등록번호 1012907950000 유효성분이 증가된 발효 도라지 제조방법은 도라지를 효모로 배양하는 단계 또는 누룩으로 발효시키는 단계를 포함하는 플라티코딘 D의 함량이 증가된 발효 도라지 제조방법에 관한 것이다. 분쇄된 도라지를 누룩에서 분리한 효모로 배양하는 경우, 누룩으로 발효시키는 경우 또는 효모로 배양한 후 누룩으로 발효시키는 경우 일반 도라지 추출물에 비해 플라티코딘 D의 함량이 유의적으로 증가되는 것을 확인하였다. 한국특허공개번호 10-2015-0042529(우수한 항염 및 항산화 활성을 갖는 도라지 발효 조성물 및 그의 제조방법)은 도라지의 버섯균사체 발효 조성물은 우수한 항염 및 항산화 효과를 나타냄으로써 도라지 버섯균사체 발효 조성물을 유효성분으로 함유하는 항염증 예방 치료를 위한 식품조성물 또는 약학조성물로 이용될 수 있다. 그 밖에 한국특허공개번호 1020140096771 플라티코딘 D를 함유하는 도라지 추출물을 유효성분으로 포함하는 접촉성 피부염 예방 또는 치료용 약학적 조성물이고, 한국특허등록번호 1015160630000 플라티코딘 D 함유 도라지 추출물을 유효성분으로 포함하는 피부보습용 화장료 조성물이다.
그러나 이들 종래기술은 본 발명과 기술적구성이 다른 것이다.
종래에 버섯균사체를 이용하여 도라지를 발효시키는데 있어서, 도라지를 증자시켜 냉각한 후, 균사체를 도포시켜 1개월이상 발효시키므로 발효시간이 많이 소요되고, 공정이 복잡한 점이 있다. 또한 발효물이 사포닌계 플라티코딘D의 함량이나, 항산화물질의 함량을 증대시키는데 초점이 맞추어져 균사체를 이용한 발효가 진행되었다. 본 발명자들은 버섯균사체를 이용하여 국내에 자생하는 토종 도라지를 고체배양하여 면역활성 및 항산화활성이 우수한 성분을 얻고자 한다.
우리나라 농림축산식품부의 통계자료에 의하면 국내의 도라지 재배면적은 현재 600-700 ha 수준을 유지하는 것으로 발표되었다. 국내의 도라지 생산량은 1991년도에 5,255톤이었으나 점차 감소하여 2002년도에는 2,697톤으로 약 절반까지 감소하였으나, 2006년도부터 다시 증가하기 시작하여 2011년도에는 6,759톤으로 다시 2.5배까지 증가하였으며 이러한 추세는 향후 수년간 지속될 것으로 전망이다.
따라서 도라지의 유효성분을 이용하여 건강기능성식품 또는 약용 성분으로 공급하여 소재 산업화가 필요한 실정이다.
본 발명은 도라지의 총페놀성화합물과 베타글루칸의 함량을 증가시키기 위하여 다수의 버섯으로부터 버섯균사체 종균을 선별하는 단계와, 버섯균사체를 활용하여 도라지를 고체 발효하는 단계와, 버섯균사체 고체발효 도라지로부터 유효성분을 추출하는 단계로 구성된다.
본 발명의 버섯 균사체에 의해 발효된 도라지는 항산화활성의 총페놀성 화합물이 비발효된 대조군 보다는 200-250% 증가하고, β-글루칸은 250-500%로 증가하였다. 또한 도라지의 사포닌 중에서 Platycodin D의 함량이 증가되는 것을 알 수 있다.
도 1은 선별배지에서 생장한 표고버섯 (L. edodes)과 차가버섯 (I. obliquus) 균사체이다.
도 2는 버섯균사체를 도라지에 대하여 2% 내지 4% 접종에 따른 도라지 고체 발효 상태를 나타낸 것이다.
도 3은 버섯균사체에 의해 발효된 도라지의 사포닌 함량이다.(대조군: 오토클레이브(비멸균 도라지). LFD: 표고버섯균사체로 발효한 도라지 IFD: 차가버섯균사체로 발효한 도라지)
도 4는 버섯발효도라지 추출물 처리에 따른 A549 기관지 상피 세포의 세포생존율을 나타낸 것이다.
도 5는 버섯발효도라지 추출물 처리에 따른 A549 기관지 상피 세포의 IL-8 분비 억제 활성을 나타낸 것이다.
본 발명은 도라지 발효를 위하여 다수의 버섯으로부터 버섯균사체 종균을 선별하는 단계와, 버섯균사체를 활용하여 도라지를 고체 발효하는 단계와, 버섯균사체 발효도라지로부터 유효성분을 추출하는 단계로 구성된다.
<실시예 1>; 도라지 발효를 위한 버섯균사체 종균 선별
표고버섯균사체 KCTC6734, 차가버섯균사체 KCTC26147, 상황버섯균사체 KCTC6190, 영지버섯균사체 KCTC6283, 느타리버섯균사체 KCTC16855, 송이버섯균사체 KCTC26249를 대상으로 도라지 발효 버섯균사체 종균을 선별하였다. 도라지 발효 버섯균사체 종균의 선별을 위한 배지로써 버섯 균사체를 비롯한 곰팡이류와 효모를 키우는데 일반적으로 사용되는 YPD를 도라지를 발효하는 데에 사용되는 버섯 균사체의 일반 생장배지로서 선정하였다. YPD 배지에서 잘 생장하는 표고버섯과 차가버섯 균사체를 선정하여 도라지 발효에 사용하였다. 25℃에서 3일간 액체배양 하여 균사체 생장이 잘되는 버섯을 도라지 발효 종균으로 선정하였다.
Figure pat00001
표고버섯과 차가버섯 균사체를 25℃에서 3일간 배양하면, YPD agar의 경우에는, 접종한 stock(버섯 균사체를 포함하는 배지 조각)을 중심으로 하얀색의 균사체가 뻗어나가듯이 자라는 것을 관찰할 수 있다. 이를 YPD broth에 옮겨 동일한 조건에서 키우면, 접종한 균사체 배지 조각을 중심으로 방사형으로 균사체가 뻗어나가면서 성장하는 것을 알 수 있다. 시간이 지남에 따라 균사체 덩어리가 커지거나, 이에서 빠져나온 새로운 균사체가 생장하여 또 다른 균사체 덩어리를 이루며 그 양과 부피가 증가한다.
<실시예 2>; 표고버섯과 차가버섯 균사체를 활용한 도라지 고체 발효
산마을영농조합에서 제공받은 생도라지를 도라지 발효 시, 버섯 균사체가 닿는 표면적이 넓도록 절편의 길이를 2~3cm로 절단하여 사용하였다. 이를 비커에 일정량 담아 121℃에서 20분간 멸균하였다. 멸균한 도라지는 가열하지 않은 도라지에 비하여 그 색이 진해지고, 도라지 자체가 많은 수분을 함유하고 있기 때문에 가열에 의해 쉽게 물러지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 도라지에서 빠져나온 수분이 고여 그 품질에도 좋지 못한 영항을 미칠 것으로 생각되어 수분의 순환이 잘 되는 용기를 쓰기로 했다. 따라서 본 발명에서는 업체에서 제공한 껍질을 제거한 도라지를 채 썬 것으로 실험실에서 2~3회 수세하여 절단하지 않고 실험에 사용하였다.
YPD broth에서 배양한 버섯 균사체를 원심분리하여 2 %, 4% (v/W) 접종하여 도 2에 나타냈다. 초기 발효조건으로 설정한 습도 80%, 온도 25℃에서 3일간 발효하였던바, 발효 3일차에서 아무런 변화도 보이지 않았다. YPD agar에서 표고버섯과 차가버섯 균사체를 배양하였을 때, 하얀색의 균사체가 생장하는 것을 관찰할 수 있었기 때문에, 도라지 표면에 하얀색의 균사체가 보이면 발효가 이루어졌음을 확인 할 수 있다. 하지만 발효 3일차에서 버섯 균사체가 관찰되지 않아 6일까지 시간을 늘려 발효하였던 바, 푸른색의 곰팡이가 피었다. 이는 페니실린 균으로 도라지의 멸균이 제대로 이루어지지 않았음을 보여준다. 또한 도라지 내에 버섯 균사체의 생장에 필요한 영양분이 부족하여 버섯 균사체가 보이지 않은 것으로 생각된다.
비커 대신에 표준체(test sieve, 지름 7cm, 체눈 크기 300μm)에 도라지를 담아 멸균하여 실험에 사용하였다. 121℃에서 20분 멸균하고, 이를 냉각하여 다시 2차로 동일한 조건에서 멸균하였다. 그 결과, 앞선 실험에서와 달리 버섯 균사체 이외에 푸른곰팡이 같은 다른 미생물의 생장은 관찰되지 않았으므로 멸균이 완전히 이루어진 것으로 확인되었다.
또한 앞선 실험에서 버섯 균사체를 활용하여 발효한 도라지에서 버섯 균사체가 발견되지 않은 이유로 버섯 균사체가 생장하는데 필요한 질소원이 부족하다 생각되어 0.002% (w/w) 효모엑기스를 균사체 접종 시, 같이 첨가하였다. 멸균한 도라지에 2 % (v/W)씩 표고버섯 및 차가버섯 균사체를 접종하였고, 도라지 표면에 버섯 균사체가 자란 것을 관찰할 수 있었다.
<시험예 1>; 발효도라지 항산화 물질 함량 분석
발효 도라지의 항산화 물질 함량은 총 페놀과 총 플라보노이드를 분석하였다. 시료의 전처리는 표고 버섯 및 차가버섯 균사체를 활용하여 고체 발효가 끝난 도라지를 동결·건조하여 분말화 한 것을 메탄올을 용매로 마이크로웨이브와 열수 추출을 하였다. 이를 정용한 것을 시료로 하였다. 표고버섯 균사체를 활용하여 고체 발효가 끝난 도라지를 50℃에서 24±α시간동안 열풍·건조하여 분말화 한 것을 증류수로 1시간씩 3회 추출을 하였다. 이를 농축하여 동결건조 한 것을 시료로 하였다.
<총 페놀성 화합물 분석>
폴리페놀 화합물 함량은 Folin-Denis법(Foloin and Denis, 1912)을 일부 변형하여 측정하였다. 즉, 추출액 0.1 mL에 증류수 6 mL를 가하고 folin-ciocalteu's phenol reagent 0.5 mL를 차례로 가하여 교반하였다. 교반 후 Na2CO3 포화용액을 1.5 mL 가하여 충분히 교반하고 실온에서 1시간 방치 한 뒤 765 nm (UV/VIS spectrophotometer, UV-1650PC, Shimadzu Co., Kyoto, Japan)에서 흡광도를 측정하였다. 표준물질로 gallic acid를 농도별로 조제하여 얻은 표준검량곡선으로부터 시료 추출물의 총 페놀성 화합물 함량을 산출하였다. 발효한 도라지를 동결·건조하여 메탄올을 추출 용매로 각각 마이크로웨이브와 열추출한 것을 정용하여 발효 도라지의 항산화 물질 함량을 분석하는데 사용하였다.
Figure pat00002
마이크로웨이브를 이용하여 추출한 것이 열 추출한 것에 비하여 훨씬 총 페놀성 화합물의 함량이 높은 것을 알 수 있다. 추출 방법에 따라서 그 함량에는 차이가 있으나 발효에 의하여 도라지의 페놀성 화합물의 양이 170% 내지 250% 증가하는 것을 알 수 있다. 버섯 균사체에 의하여 도라지가 발효됨에 따라서 도라지에 고분자로 존재하던 페놀성 화합물이 분해되어 그 양이 증가된 것으로 보인다.
<총 플라보노이드 분석>
플라보노이드 화합물 분석은 건강기능식품공전에 나와 있는 총 플라보노이드 시험법에 따랐다. 즉, 추출액 0.5 mL에 에탄올 1.5mL, 10% 질산알루미늄 용액 0.1mL, 1M 초산칼륨용액 0.1mL, 증류수 2.8mL을 가하여 충분히 교반한다. 각 농도별 표준물질 및 시료의 공시험은 10% 질산알루미늄 용액 대신 증류수 0.1mL을 가한단. 실온에서 40분간 정치 후 액층의 흡광도를 415nm (UV/VIS spectrophotometer, UV-1650PC, Shimadzu Co., Kyoto, Japan)에서 측정한다.
Figure pat00003
이 또한 마이크로웨이브를 이용하여 추출한 것이 열 추출한 것에 비하여 더 많은 총 플라보노이드 함량을 알 수 있다. 발효도라지의 총 플라보노이드 함량은 대조군에 비하여 감소하는 추세를 보이며 특히 표고버섯 균사체를 활용하여 발효한 도라지에서 현저하게 그 양이 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 발효에 의하여 플라보노이드 물질이 완전히 분해되거나, 페놀성 화합물과 같은 다른 물질로 전환된 것으로 보인다.
<발효 도라지 사포닌 함량 분석>
Figure pat00004
버섯균사체 발효도라지의 사포닌 함량은 도라지 사포닌 중 Platycodin D, Platycodin D2과 Deapio-paltycodin D을 분석하였으며, 결과를 도 3에 나타내었다. 도라지의 약리작용으로 작용하는 주요 사포닌인 Platycodin D는 표고버섯과 차가버섯균사체 발효도라지에서 모두 증가하였으며, Platycodin D의 함량은 각각 1.2 mg/g과 1.3 mg/g으로 표고버섯균사체 발효도라지보다는 차가버섯균사체 발효도라지에서 더 높게 증가됨을 확인할 수 있었다. Platycodin D 이외에, Platycodin D와 관련이 있는 Platycodin D2, Deapio-paltycodin D의 함량에 있어서는 약간의 변화를 확인 할 수 있었으나 큰 차이를 보이지 않는 점으로 볼 때, 선별된 버섯균사체들은 도라지로부터 Platycodin D를 다른 도라지 사포닌들보다 많이 생성할 수 있는 균주로 판단된다.
Figure pat00005
(1-3)(1-4) β-glucan 및 (1-3)(1-6) β-glucan 분석
발효한 도라지를 동결·건조하여 분말화한 것을 시료로 하였다. 생도라지와 121℃에서 20분간 2회 멸균한 도라지를 발효도라지에 대한 대조구로 하였다. (1-3)(1-4) β-glucan 및 (1-3)(1-6) β-glucan은 Megazyme kit를 이용하여 분석하였다.
버섯균사체 발효도라지 β-glucan 함량은 버섯균사체로 발효한 도라지 모두에서 β-glucan의 함량은 (1-3)(1-6) β-glucan보다는 (1-3)(1-4) β-glucan 함량이 현저히 높았으며, 표고버섯균사체 발효도라지의 (1-3)(1-4) β-glucan과 (1-3)(1-6) β-glucan의 함량은 각각 1.7 ± 0.016%(w/w)과 0.92 ± 0.041%(w/w)이었고, 차가버섯균사체 발효도라지의 (1-3)(1-4) β-glucan과 (1-3)(1-6) β-glucan의 함량은 각각 3.5 ± 0.003%(w/w)과 1.1 ± 0.036%(w/w)이었다. 비발효도라지 보다는 버섯균사체로 발효한 도라지의 (1-3)(1-4) β-glucan은 약 250~500%, (1-3)(1-6) β-glucan은 270~320%로 매우 큰 증가량을 보였으며, 이는 버섯균사체에 의한 증가로 판단된다.
Figure pat00006
<발효도라지의 기관지 상피 세포 IL-8 억제활성>
세포주: 인간 기관지 상피세포주인 typeⅡ human alveolar epithelial cell line(A549)는 한국세포주은행(Seoul, South Korea)에서 구입하였고, Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM) 배지 FBS와 페니실린(10,000U/㎖), 스트렙토마이신(10,000㎍/㎖), (P/S)는 Life Technologies Co.(gibco®, Grand Island, NY, USA)회사 제품을 사용하였다. A549 세포주에 염증관련 유전자를 발현(IL-8)시키기 위해서 IL-1b, TNF-α, IFN-γ를 사용하였다 (BioLegend, San Diego, CA, USA). IL-8 측정 Enzyme linked immunosorbent assay (ELISA)kit를 이용하여 염증 억제 활성을 측정하였다(BioLegend, USA).
세포배양: DMEM 배지에 항생제(100 units/㎖ 페니실린, 100 ㎎/㎖ 스트렙토마이신)와 10% fetal bovine serum (FBS)를 첨가하여 37℃, 5.0% CO2 조건하에서 80~90% confluent (3~4일) 상태까지 배양하고 이를 계대배양해서 실험에 사용하였다.
ELISA를 통한 IL-8농도 측정: ELISA kit(BioLegend, USA)로 상층액에 포함된 IL-8의 단백질분비량을 측정하기위해서, A549세포(100 mm culture dish 1×105 cell/mL)에 IL-1β, TNF-α 그리고 IFN-γ를 각각 100 ng/㎖씩 첨가하고, CCK-8 assay 통해 세포 생존률이 90%이상의 모든 시료가 포함되는 농도를 처리하여 24시간 동안 배양한 후에 상층액을 회수하여 제공된 IL-8 ELISA kit의 방법으로 단백질분비량을 흡광도 450 nm 또는 570 nm로 측정하여 발효도라지의 염증 억제 효과를 계산하였다.
<발효도라지의 기관지 상피 세포 IL-8 억제활성>
인간 기관지 상피세포주인 typeⅡ human alveolar epithelial cell line(A549)을 이용하여 표고버섯발효도라지 추출물의 항염증 효과를 알아보기 위하여, CCK-8 assay 분석을 통해 추출물들에 의해 A549 기관지 상피 세포가 90%이상의 생존율을 보이는 최고 농도인 0.5 mg/mL로 시료 처리량을 결정하였다(도 4).
표고버섯발효도라지 추출물 0.5 mg/mL 농도에서의 A549 기관지 상피 세포의 IL-8의 단백질분비량은 약 9.8 ug/mL(9% 감소)로 생도라지 추출물 10.1 ug/mL(7% 감소) 보다 약간의 감소로 큰 차이는 보이지는 않았으나 (그림 5-2), CCK-8 assay 결과 생도라지보다는 버섯발효도라지가 세포에 대한 독성이 작아 더 많은 양의 섭취가 가능하며, 이에 따라 본 결과보다는 기관지 세포의 염증 억제효과는 클 것으로 판단된다(도 5).
상기의 고체발효 도라지로부터 열수 또는 저급알콜로 총페놀성화합물과 베타글루칸을 추출한 후, 음료, 환, 분말, 캡슐 등의 식품 또는 건강기능식품으로 만들어 제공할 수 있다.
본 발명의 버섯 균사체에 의해 발효된 도라지는 총페놀성 화합물이 비발효된 대조군 보다는 200-250% 증가하고, β-글루칸은 250-500%로 증가하였다. 또한 도라지의 사포닌 중에서 Platycodin D의 함량이 증가되는 것을 알 수 있으므로 산업상 이용 가능성이 있다.

Claims (7)

  1. 도라지를 고체 발효시키기 위하여 버섯으로부터 버섯균사체 종균을 선별하는 단계와, 버섯균사체를 활용하여 도라지를 고체 발효하는 단계와, 버섯균사체 발효도라지로부터 유효성분을 추출하는 단계로 구성되는 도라지를 버섯균사체로 고체발효시켜 총페놀성화합물과 베타글루칸의 함량을 증가시키는 발효 방법
  2. 제 1항에 있어서, 균사체는 표고버섯균사체 Lentinula edodes KCTC 6734 및 차가버섯균사체 Inonotus obliquus KCTC 26147 인 것을 특징으로 하는 도라지를 버섯균사체로 고체발효시켜 총페놀성화합물과 베타글루칸의 함량을 증가시키는 발효 방법
  3. 제 1항에 있어서, 고체발효시 멸균한 도라지에 2-4 % (v/W) 균사체를 접종하고, 질소원으로 효모엑기스 0.001-0.003% (w/w) 를 첨가하는 것을 특징으로 하는 도라지를 버섯균사체로 고체발효시켜 총페놀성화합물과 베타글루칸의 함량을 증가시키는 발효 방법
  4. 제 1항에 있어서, 발효조건은 습도 80%, 온도 25℃에서 3-6일간 고체 발효하는 것을 특징으로 하는 도라지를 버섯균사체로 고체발효시켜 총페놀성화합물과 베타글루칸의 함량을 증가시키는 발효 방법
  5. 제 1항에 있어서, 멸균한 도라지를 절편하여 발수가 용이한 체에 담아 배양하는 것을 특징으로 하는 도라지를 버섯균사체로 고체발효시켜 총페놀성화합물과 베타글루칸의 함량을 증가시키는 발효 방법
  6. 고체발효 도라지를 열수 또는 저급알콜로 추출하여 총페놀성화합물과 베타글루칸의 추출물을 분리한 후, 농축 및 동결건조하는 방법
  7. 제 6항의 총페놀성화합물과 베타글루칸 추출물을 식품 또는 건강기능식품으로 사용하는 방법
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