桂仲争 庄大桓
（中国农业科学院蚕业研究所，镇江-212018）
我国是世界上茧丝绸生产和出口大国，茧丝产量和出口量约占世界总量四分之三，为人类文明和发展做出了较大的贡献。近年来，随着我国经济的发展、农村产业结构的调整以及国际蚕丝市场的波动，我国蚕丝业出现了前所未有的困境，屡屡发生诸如“蚕茧大战”、蚕农大面积毁桑等不正常现象。同时，随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，人们对生活质量的要求也越来越高。蚕丝利用已从原来的单纯绢丝织物向医药、食品、生物制剂等领域延伸。开拓新的蚕业增长点，加强家蚕多用途的开发已成为广大蚕业科技工作者一项紧迫的任务。
如今发展生物技术同发展信息技术一样被认为是在发展国民经济中起到重要的作用，正受到世界众多国家的普遍重视，以期在发展农业领域同发展工业一样获得极大的技术革新。以追求高产量的传统型农业正向开发功能利用增加农业附加值、提高农产品质量、开发以生物技术为基础的现代农产品以及发展环保型农业技术的转移。
在农业上，许多昆虫被认为是导致减产的害虫，然而昆虫也有被人们利用的一面，具有同其它自然资源一样的开发潜能，如家蚕和蜜蜂就是很好的例证。家蚕作为研究最为清楚的昆虫之一，通过其基因组研究期望在发展生物技术领域发挥更大的作用。
一、资源昆虫的食用与药用研究依据
自古以来，昆虫就是人类和许多动物的美食，在我国和亚洲的许多国家，在非洲、北美甚至欧洲都有食用昆虫的习惯。世界上的昆虫约有180万种，有3650余种可以食用。昆虫是地球上种类最多且生物量巨大的生物类群，繁殖速度快，低脂肪低胆固醇，肉质纤维少，营养结构合理，味道鲜美，又易于吸收，优点突出并优于植物蛋白，为世界各国所关注。现代食用昆虫始于德国，近年来将昆虫作为功能性食品或其基料越来越被人们所重视，昆虫食品正在世界迅速发展，代表着未来人类食品的一种新潮流。
根据我国长期以来的习惯和各地的食虫习俗，有人推测我国可食用昆虫种类达800多种，鳞翅目中的蚕（家蚕、柞蚕）就是其中很重要的一种。研究表明，昆虫的蛋白质含量丰富，比牛肉、猪肉、鱼、鸡的都高，其干制品中蛋白质含量在30%～70%之间，家蚕干制品粗蛋白含量为68.93%（桂仲争等，未发表）。昆虫蛋白质中富含人体所需的各种氨基酸。化学分析证实，昆虫不仅含有丰富的脂肪，其脂肪酸组成也较合理，含有大量不饱和脂肪酸，鳞翅目则含有丰富的亚麻酸。昆虫本身不能合成甾体，需从外界获得这些物质来用于其膜的生物合成和作为其激素的前体，某些食植性昆虫或以真菌为食的昆虫可直接利用植物甾体。研究表明，用△7，△5，7-甾体代替△5-甾体可使谷实夜蛾(Heliothis zea)体内胆固醇含量极低，产生的甾体不能被人的消化道吸收，所以给某些昆虫喂以含诸如苜蓿甾体的食物，可生产低胆固醇昆虫以作为低胆固醇食品的潜在来源。此外，昆虫中还含有大量矿物质，桂仲争等研究表明（未发表），家蚕体内含丰富的Ca（5mg/g以上），Mg（3 mg/g以上），Fe，Zn，Cu和Mn等微量元素。
蚕和丝已成为开发生物资源利用的巨大潜力资源。期望通过对蚕业的功能利用进一步扩展到其它昆虫资源的利用，因此，昆虫研究如同蚕业一样将受到人们的普遍重视并得到开发利用。家蚕是至今基因研究最为深入的昆虫之一。通过外源基因的导入，家蚕有望成为“昆虫生物工厂”生产大量的有用蛋白质。由于蚕丝中存在一些有用的功能基团，具有对化学反应的敏感性，可以转化成几种利用阶段。而且，由于蚕丝本身是蛋白质，是用于制造组织膜的理想材料。正是由于蚕丝具有如此多的用途，许多研究者正致力于蚕丝的食品、化妆品、医药材料和生物工程材料的研究与开发。被认为是世界上第四大自然资源的昆虫，具有无限的开发潜力。
二、 家蚕幼虫的功能利用
家蚕是公认的食疗滋补珍品。中医《神农本草》就把一种患有“僵病”的家蚕，药典称“僵虫”入药，是医治癫痫、痉挛性瘫痪、流行性腮腺炎及小儿惊风等症的要药；近代医学临床证明，“僵虫”具有镇静、退热、止咳化痰、消肿、调节神经系统及脂肪代谢等作用。越南民间流行以5龄幼虫与蜜蜂、桑叶熬制成药，可促进小儿生长，强壮身体。在其他传统的养蚕国家，也有将蚕作为药用的记载。
2．1 家蚕降血糖的利用研究
韩国学者在研究家蚕利用时发现，家蚕幼虫经冷冻干燥制成的全蚕粉，具有治疗糖尿病的功效。临床试验表明，患者服用经家蚕制成的全蚕粉4周后降低血糖值达20％。由于全蚕粉降血糖药效显著，且安全、无毒、无副作用，优于胰岛素、阿片保新等现行的治疗高血糖药剂，在韩国已成为一项轰动性农业科研成果，为众多糖尿病患者带来了福音。由于求购全蚕粉数量大，如今韩国本土的养蚕生产能力已远不能满足于开发制备全蚕粉的需要，每年还从中国山东、四川等省大量进口家蚕幼虫，已形成家蚕功能利用的规模化新产业。自上世纪90年代，韩国的蚕业生产已完成了由原来传统型生产蚕茧为目的养蚕业转移到以生产全蚕粉、冬虫夏草等为目的的新型产业，即从生产服装原料为目的向生物工厂和功能资源产业的转移。由于全蚕粉降血糖无毒副作用，全蚕粉的生产产量从1995年的121吨增加到1998年的288吨，蚕农收入增加2.2倍。
桂仲争等在国内率先开展了全蚕粉的研究，研究表明全蚕粉通过抑制动物体内α-糖苷酶活性，抑制糖的合成，降低饮食后体内的血糖水平，达到控制病情的目的。对非胰岛素依赖型（Ⅱ型）糖尿病患者具有显著的疗效。长期服用不会导致低血糖并发症，且无毒、副作用，具有很好的安全性。同时全蚕粉对免疫调节具有保健功能，非同一般的降糖药物，具备良好的开发前景。现已进入临床实验阶段，有望在近期获得较理想的应用效果。
糖尿病是一种常见的有遗传倾向的代谢内分泌疾病，对患者的最大痛苦在于它引起代谢紊乱、感染和引发心、脑、肾、眼、神经系统等病变。尤其是心血管病变者，其中有70％以上是糖尿病并发的，被排在致死病因的第4位。目前全世界约有1.4亿糖尿病患者，我国约4000多万，其中90%以上为Ⅱ型（非胰岛素依赖型），是一个较大的疾病群体。由于全蚕粉降血糖效果显著，而且为纯天然，安全、无毒、无副作用，无疑对广大糖尿病（Ⅱ型）患者是一个极大的福音。这对解除糖尿病患者的痛苦，为开辟临床防治糖尿病及其并发症新途径，提高糖尿病的治疗水平，必将具有广阔的开发前景。
2. 2 家蚕生物技术应用研究
2. 2. 1 基因组研究
家蚕属于鳞翅目昆虫，在分子遗传利用方面具有比果蝇更大的利用前景。由于认识到农业害虫尤其鳞翅目昆虫的重要性，欧美国家正致力于这些昆虫的基因组研究；日本在1999年就已经开始实施了家蚕的基因组计划；韩国在柞蚕（中国柞蚕和日本柞蚕）遗传特性方面的研究取得了较好成绩；我国学者也在实施家蚕基因组和蛋白质组全序列的研究计划。因此，开展基因分析技术和确定泌丝昆虫的基因位点具有很好的研究和开发前景。
2. 2. 2 通过生物转化生产有用的物质
家蚕具有能生产大量纯化蛋白如丝素等有用的实验器官和特征，这为通过基因操作技术生产为人类利用的有用蛋白质提供了前提条件。在转基因蚕研究中已发表的报告基因主要有：绿色荧光蛋白（Green Fluorescent Protein, GFP）、荧光素酶（Luciferase）、新霉素抗性基因（Neomycin resistance gene, NeoR）、氯霉素乙酰转移酶（Chloramphenicol Acetyt
ransferase, CAT）、Lac-Z等。
2. 2. 3 “昆虫生物体系”的 建立
昆虫生物体系，即昆虫生物工厂是指通过载体如核多角体病毒插入有用基因在昆虫体内表达并生产出有用物质的过程。世界上许多国家都建立了这种载体表达系统，它将被应用到相关研究的许多领域。为了在昆虫体内高效地生产出有用的物质，日本学者在人工饲料饲养技术、大规模室内饲养技术、适合基因表达的家蚕品种的选育、高效家蚕血淋巴的提取方法、病毒感染技术和自动化饲养技术等取得了巨大的成绩。在不久的将来，利用昆虫生物体系大量生产有用物质将为直接为人类造福。
利用基因重组技术开展的家蚕研究主要包括如下几个方面：
1） 家蚕蜕皮和变态相关的克隆基因蛋白包括激素生物活性的分离和纯化；
2） 用基因重组技术生产包括生物活性肽、酶和抗体等的有用物质；
3） 通过转基因技术培育基因新品种以生产有用的活性物质。
2.3 抗菌物质的研究
昆虫（家蚕）虽然没有像高等动物那样完善的防御体系，但它们的先天免疫和获得性
免疫的能力却是惊人的，因而昆虫具有高度的适应能力和防御机能。当昆虫遇到外界的物理
、化学和生物等因素的刺激后，其血淋巴中很快出现一系列免疫物质如抗菌蛋白、抗菌多肽
、溶菌酶及凝集素等抗菌物质以对抗外源微生物的入侵。这一系列物质已被分离、纯化并测
定了理化性质，部分已测定了一级和二级结构，并较系统地研究了抗菌肽的生物学效应和作
用机理。不少昆虫抗菌肽的基因结构已被阐明，天然和人工合成的抗菌肽基因在大肠杆菌和
昆虫杆状病毒表达已获得成功，表达产物具有与天然抗菌肽相同的生物活性。
昆虫抗菌肽具有相对分子量小，对热和酸碱稳定，水溶性好，无免疫原性，抗菌谱广
等特点，对真核细胞几乎无作用，仅作用于原核细胞和发生病变的真核细胞。可望成为一类
新的高效、低毒的抗菌、抗病毒和抗癌新药；也可通过转基因工程将抗菌肽基因导入植物体
内，在作物抗病育种方面发挥重要的作用。其中蚕抗菌肽是一类重要的抗菌肽，是国际上研
究的热点。
三、蚕蛹的功能利用
2.1 蛹蛋白的利用
蚕蛹以其蛋白含量高且数量多，已作为主要的开发利用资源。蛹蛋白经酸解、碱解或酶
解加工便可获得较高纯度（80％左右）的蛋白制品，是生产氨基酸较为理想的原料。特别是
其蛋白主要为球蛋白，比纤维蛋白更容易被人体消化吸收（一般肉食品主要是纤维蛋白），
更适合于婴幼儿和老年营养食品的蛋白质添加剂。由于蚕蛹蛋白的高营养特点，也是生物制
品工业的微生物培养基原料。
在蛹蛋白的提取过程中，往往会产生一种腥臭味，使其利用受到影响。产生这种异味，
一方面是加工前和加工过程中腐败形成较多具有刺激性臭味的低级脂肪酸（如丙酸、甲酸等
）和多胺化合物（如二甲胺、正丁胺等）；另一方面可能是蛹内腺体自身分泌物加重了其臭
味。蚕蛹除臭，一直是困绕蛹蛋白开发的一大难题。为此，许多学者进行了大量有益的探讨
。据最近的研究表明，采用化学氧化除臭法，可制得无臭味的蛋白粉，再经水解制备复合氨
基酸，具有色质好，成本低，设备简单，工艺流程短等优点。湿蚕蛹用机械脱脂，脱脂率可
达88％左右，经化学除臭干燥得蚕蛹蛋白粉蛋白质86％左右，水解制备复合氨基酸得率60－70％。随着近几年来科技的进步和对外开放，这方面的研究与开发取得了长足的进步。山东汶上县罐头食品厂率先完成了蚕蛹罐头的生产工艺，他们生产的蚕蛹罐头无异味，不仅供应国内市场，而且销往东亚各国，深受消费者的亲睐。广东农科院蚕桑所开发出的蛹虫草，具有较高的营养价值和药理功效，已获国家级新产品称号，目前已比量投放市场。白虹等用蛋白酶水解法研究了酶法水解蚕蛹蛋白的最佳工艺并利用水解产物研制蛋白饮料和氨基酸口服液。经氨基酸分析表明，游离氨基酸占水解液中总蛋白含量的13.9％。经感观评定实验显示，各型饮料和口服液的总评分都在80分以上。蚕蛹复合氨基酸是蚕蛹经酸解或酶解而制得可供食品、医用的混合氨基酸型营养强化剂，长期困绕复合氨基酸中的异味也已找到了合适的解决办法，为开发利用这一资源找到了有效、可行的途径。
3.2 蛹油的利用
在开发利用蚕蛹蛋白的同时，还可以得到数量可观的脂肪――蛹油（约占干蛹重的25-30％）。脂肪主要成分为亚油酸类，对高胆固醇和慢性肝炎，糖尿病患者及营养不良者，均有较好的疗效。因此，蚕蛹不仅是人们的高级佳品，而且也是一种重要的滋补食疗的珍品。脂肪经硫酸化后得到的硫酸化蛹油，在工业生产中有广泛的应用价值；与甘油配合是非常好的美容化妆品原料；另外还可作为皮革光亮剂及机械润滑剂。
3.3 蚕蛹几丁质的利用
自90年代以来，几丁质的研究与利用风靡全球。在1991年欧美学术年会上，几丁质被确定为人体除蛋白质、脂肪、糖类、纤维素、矿物质外的第六生命要素。在临床研究上发现，
它可作为一种免疫促进剂、抗肿瘤剂和药物释放剂。它能降低胃酸，抑制溃疡，还能降低胆
固醇、甘油三酯。几丁质或其脂肪酸络盐可以作为脂肪清除剂添加到食品中去，一方面减少
人体对脂类物质的吸收，促进脂类物质排出体外；另一方面因结合食品中的脂肪而降低了食
品的热量，同时又能满足人们对脂肪的口感要求，因此被推荐为减肥食品。
蚕蛹中含有总重（干重）3.7％的几丁质，进一步纯化后，可以作为外科手术线，固定化酶载体，人造皮肤，人造肾膜，液晶抗凝剂，隐形眼镜，植物杀虫剂等的重要原料。
四、丝素蛋白的功能利用
蚕业生产的基本目标是获得纺织原料的蚕丝纤维。千百年来，蚕业科学以培育家蚕新品种、革新养蚕技术、提高生丝质量、改进生丝纺织工艺以生产高质量的丝绸服装为主要研究目的，至今，这些研究已接近顶峰的水平。
蚕丝俗称“纤维皇后”，是任何其它人造纤维所无法代替的，具有手感好、绝缘、保湿、防紫外线和保护皮肤等特性。因此，蚕丝对一些皮肤病和其它非正常皮肤症状具有较好的保护作用。
自上世纪80年代后期，一些养蚕国家开始失去生丝生产的国际竞争力，韩国和日本开始研究从蚕丝生产到直接利用蚕丝蛋白。蚕丝具有许多优良特性，它可以加工制备成不同的利用形式如丝素粉、丝素膜、丝素孔状物质和丝素凝胶等。同时，由于蚕丝素分子中存在多个高化学活性的功能基团，能改变其特性，如结晶、水溶、分子粘合等性质。通过利用这些性质，传统的织丝业可由生产服装原料向新的资源业转移，从而增加其附加值。这些包括功能食品、化妆品原料、医药材料等。而且，这些蚕丝利用途径不是利用生丝本身而是利用缫丝、削口茧及下脚茧等废弃物为原料，这些原料经化学和生物分解过程回收水溶的丝素、丝素膜和丝素粉。
4.1 保健食品原料
蚕丝心蛋白（俗称丝素）是由18种氨基酸组成的，其中甘氨酸（Gly）占45%，丙氨酸（Ala）占30%，丝氨酸（Ser）占12%，酪氨酸（Tyr）占6%，与牛奶和鸡蛋相比，甘氨酸和丙氨酸的含量尤其高，由于它含有大量丰富的氨基酸，而含很少脂肪和碳水化合物，因此，蚕丝是非常符合现代营养文化的食品。据研究报道，甘氨酸和丝氨酸能降低血液中的胆固醇浓度，帮助排泄人体内的有害物，具有解毒作用；丙氨酸能转换为能源，具有促进酒精代谢，提高肝功能；酪氨酸能转化为神经传导物（多巴），多巴对老年性中风和老年痴呆症的患者具有防治效果。此外，蚕丝肽还具有促进胰岛素分泌，抑制自身的免疫等方面的作用。因此，
蚕丝食品既是保健食品，又是防治今后不断增加的老年人病的理想营养食品。根据蚕丝蛋白
的药用效能，开发了以蚕丝蛋白为原料的食品添加剂。在日本，利用蚕丝添加剂制成了丝粉
面条、丝粉饼干、丝粉蛋糕、丝粉饴糖、丝粉果冻、丝粉酱油、饮料、罐头、豆腐和豆浆等
以及一系列功能性保健品如治疗高血压、脑血栓、糖尿病、醒酒剂等等，在市场上销售，赢
得了消费者的赞誉。
早期利用蚕丝蛋白作为食品原料还是有许多困难，主要是蚕丝蛋白在胃内的消化吸收率较低。然而，通过生化方法将其分解成寡肽或氨基酸，这一问题就迎刃而解了。如今99%的丝素可以在胃内被吸收，丝素一旦被吸收，就表现出降低胆固醇和血糖水平、预防和治疗帕金森病和智力低能症、促进酒精代谢等多种功效。丝素的这些功效主要是由于与其氨基酸的组成有关，但丝素的作用效果明显优于合成氨基酸的作用效果，提示丝素中除存在这些特殊氨基酸外，还存在合成氨基酸中不具有的、某些特殊的活性物质。
4. 2 化妆品原料
蚕丝素蛋白用于化妆品原料主要是因为它拥有优良的皮肤亲和性、防紫外线的功能、保湿效果、皮肤粘和性和舒适感等特性。用丝素制成的护发剂可以保护头发免受损伤并修复、护色和保持头发的光泽亮丽等功效，可作为润发剂加以开发利用。尤其，丝素蛋白与色素容易结合，是生产高档化妆品的合适原料。
丝素化妆品在国内外市场已商品化，为广大消费者所接受，被誉为高级营养品及超级美容品。这是因为蚕丝中的天然蛋白含量很高，其中，总氮含量为18.97％，比珍珠的总氮含量高37倍之多。进一步的研究表明，丝素用作化妆品具有其独特性：
1〕营养性。丝素肽所含氨基酸种类齐全（共含有18种），其中亮氨酸、丝氨酸、苏
氨酸、甘氨酸都是皮肤的营养要素。在渗透力较强的表面活性剂辅助下，当丝素肽的营养要
素进入皮层后，即与人体表皮细胞有机结合，并被表皮细胞所吸收，增强了皮肤细胞活力和
弹性。
2〕保湿性。丝素肽具有天然调湿因子的作用，其多肽链上有许多极性亲水基团（
如-OH, -COOH, -NH2等）处于分子的无规则卷曲的结构表面，可使人体内水分传递至表皮角质层，保持皮肤中水分含量适当，使皮肤富有弹性、光滑而柔软。能有效防治皮肤干燥、起皱、老化。
3〕增白性。丝素肽能抑制皮肤中酪氨酸酶的活性，从而有效地控制了皮肤中黑色素
的形成，能保持皮肤洁白无暇。
这类化妆品还可治疗皮肤燥裂、衰老性皮肤骚痒和轻度皮炎症。
4.3 制造高级医用材料的研究
丝蛋白具有特殊的超微结构和多级结构，对人体无害，能良好地适应机体组织。利用
蚕丝的生物亲和性以及氧、水蒸汽的通透性，制成生物膜、生物反应器、人造皮肤、人造血
管、免拆除手术逢合线等的研究已取得了突破性的进展。如用丝素膜作固定化酶的载体，已
进入适用阶段，这种固定化酶丝素膜已成功地应用于测定葡萄糖、过氧化氢、果胶和尿酸的
生物传感器，其中流动注射分析式的葡萄糖和尿酸传感器能快速地测定包括人全血或血清在
内的各种生物样品。
丝素膜还用于隐形眼镜、人工角膜等医用材料的制作。冢田（1992）用天然蛋白质的
蚕丝作材料制成的隐形眼镜片，对人体的适应性优于树脂镜片，认为蚕丝是隐形眼镜非常理
想的素材。
抗凝血是蚕丝的另一功能特点。将蚕丝用浓硫酸处理后，使蚕丝分子中含有大量的硫
酸基，形成具有抗血液凝固活性的化合物。其抗血凝效果与常用的肝素相当，但肝素的来源
相对复杂（猪小肠中抽提），价格非常高，而用蚕丝做成的血液凝固阻止物质成本就大大地
降低。此外，人工血管做成后，需要添加血液凝固阻止物质，硫酸化丝素作为需要量很大的
人造血管高新材料，有着广阔的应用前景。
研究还表明，丝素蛋白还是一种作为药物载体较理想的药物控制释放材料。
4.4 工业原料
丝纤维经碱处理、粉碎等过程可制成直径小于10μm的丝素粉。当这种超细丝粉混合于维尼纶、油漆、合成丝皮革等时，这些材料即表现出更为优良的特性。含有丝素粉的油漆其表面柔软性就得到进一步改善，从而提高产品价值。因而这种丝油漆可广泛用于包括钢材、木材、纺织原料等方面。
按照丝素的物理形式可将丝素蛋白的开发与应用归纳为以下几种：
丝粉(物理性质的利用)
☆纤维原料△丝素皮革△丝素塑料
丝素溶液
☆化妆品原料☆护发素材料☆沐浴液原料丝素蛋白丝素溶液(化学性质利用) ☆功能食品 △化妆品原料☆沐浴液
丝 素 膜△人造皮肤 生物传感器药物缓冲剂
其他用途 人造器官 人造血管 隐形眼睛 手术缝合线人造肌肉
注：☆为已进入应用阶段；△ 为正在开发阶段； 为正在研究阶段。
五、可持续发展的资源昆虫（蚕）业展望
昆虫是世界上第4大具有利用价值和可持续开发的自然资源。这是因为，首先昆虫是生物界中最大的生物类群，全球约为180万以上个品种，同时还有许多新的品种正有待发现和确认；其次，昆虫具有生活周期短、后代个体数多、繁殖率高等优点，有些昆虫如家蚕等比其它生物更容易在室内饲养且可以常年饲养；最后，由于昆虫代谢在许多方面类似于哺育动物，可以利用昆虫为人类本身和家畜、禽生产有用的物质（如单位鲜重的家蚕可生产有用的物质是猪的1万倍以上）。
昆虫具有许多功能特征，如丝合成、蜕皮、变态、不同于其它生物的防御系统，等等。通过基因、蛋白质和生化分析可阐明这些生理功能的作用机理，从而生产出大量廉价的新的或有用的物质。同时，利用昆虫的不同发育阶段和对病原物的抵抗能力的差异研究并开发昆虫的生物防治新方法，还可作为家畜、禽饲料添加剂进行研究开发。
由于昆虫生产具有价值低廉、劳动力投入相对较少、占用空间有限等优点，昆虫业将成为21世纪生物技术发展的主要领域之一，其中包括基因重组、基因转移和蛋白质工程等。因此，昆虫研究目标应注重于其工业化的开发方向，诸如环境友好型昆虫新品种的选育、农业生态型的环境结构、传媒花粉型昆虫、观赏型昆虫和高级生物资源等。
目前，国际上昆虫应用研究热点主要包括如下几个方面：
1． 从蝴蝶翅中提取生物色素物质作为仿制商品的保护色；
2． 利用昆虫生产传统的药材原料如冬虫夏草、僵虫等；
3． 利用传花受粉昆虫如蜂类进行水果和蔬菜的半人工受粉；
4． 用昆虫生产新的生物活性物质和作为“生物工厂”生产大量的纯化蛋白；
5． 研究友好型昆虫如蝴蝶、甲虫等进行害虫的防止。
6． 利用昆虫如家蚕建立检测有害物质（食品、蔬菜等的农药残留）的技术体系。
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