UVC和LED红光复合处理对西兰花贮藏品质的影响

西兰花采后呼吸代谢旺盛，营养物质降解消耗快。室温条件下贮藏易失水、

衰老黄化和腐烂变质，严重影响其商品价值。因此，寻找一种安全有效的保鲜技

术提升西兰花采后品质显得尤为重要。目前广泛应用的保鲜技术有物理、化学和

生物保鲜技术三大类。随着人们对食品安全越来越重视，化学保鲜剂在食品安全

领域存在的问题和隐患也日渐凸显。生物保鲜技术的安全则存在较多的不确定

性。然而部分物理保鲜技术如减压、气调保鲜等存在着设备昂贵、成本过高的缺

点。近年来，光控保鲜技术作为一种绿色安全的物理保鲜方法逐渐引起人们的广

泛关注并得到迅速发展。与传统的物理保鲜方法和化学保鲜方法相比，光控保鲜

技术具有来源广泛、操作简单、成木低廉、无毒害、无副产物残留、对环境友好

等优点，完全满足现代工业生产和消费者对安全环保型食品的生产和需求，为此

在果蔬采后保鲜中有着广泛的应用前景。

发光二极管(LED)辐照保鲜是通过发射不同颜色的光，与植物实现生长光

谱吻合，提高光能利用率，从而延缓果蔬生理老叱，以达到延长贮藏期的效果。

目前用UV-C和LED辐照复合处理西兰花的研究少有报道，所以旨在探究UV-C

和LED红光复合处理对西兰花贮藏品质的影响，为复合保鲜技术在西兰花的应

用研究提供理论和技术依据。

1UV-C和LED红光复合处理对西兰花外观品质的影响

UV-CUV-C+LIGHT

下同。

图1UV(和LED红光复合处理对西兰花感官评分的影响

由图1可知，西兰花的感官评分在贮藏期间呈下降趋势，其中UV-C和LED

红光复合处理在第2〜4天感官评分始终高于其他5组，说明UV-C和LED红光

复合处理比UV-C或LED红光单独处理效果更好。其中LED红光处理组的感官

评分从第1天一直高于UV-C处理组，且2d后差异显著(P<0.05),贮藏结束

时，UV-C和LED红光复合处理组得分高出LED红光处理组20%,而LED红光

处理组得分是UV・C处理组的2.15倍。由此表明，LED红光处理对西兰花的感

官品质影响较大,UV-C和LED红光复合处理的效果更佳，能明显延长其货架期。

2UV-C和LED红光复合处理对西兰花黄化指数的影响

贮藏时间例

图2UV・C和LED红光复合处理对西兰花黄化指数的影响

如图2所示，西兰花的黄化指数在贮藏过程中呈上升趋势，2d后UV-C和

LED红光复合处理组的黄化指数保持最低，说明UV-C和LED红光复合处理比

UV-C或LED红光单独处理的效果更好。但在第I天，UV-C和LED红光复合处

理组和UV-C处理组的黄化指数都显著高于LED红光处理组(PV0.05),可能是

UV-C照射后引起的呼吸强度升高从而导致黄化指数上升。贮臧结束时，UV-C

和LED红光复合处理组与UV-C处理组差异显著(PV0.05),与LED红光处理

组无显著差异(P>0.05),UV-C和LED红光复合处理组的黄化指数比UV-C处

理组低71%,比LED红光处理组低37%o其原因可能是LED红光与西兰花的生

长光谱较吻合，因此LED红光处理比UV-C处理能更好地抑制西兰花黄化。

3UV-C和LED红光复合处理对西兰花色差的影响

图2UV・C和LED红光复合处理对西兰花黄化指数的影响

由图3A可见，Id后，CK组的L值一直保持最高，说明其颜色最亮，UV-C

和LED红光复合处理组和LED处理组间无显著差异(P>0.05),且均显著低于

CK组(P<0.05)o2d后，UV-C和LED红光复合处理组的L值显著低于UV-C

处理组(P<0.05)o贮藏结束时，UV・C和LED红光复合处理组的L值比UV-C

处理组低14%,仅比LED红光处理组低1%,说明复合处理组的亮度最小，其

颜色变化最小。

由图3B可见，在贮藏过程中，除LED红光处理组外，其他4组的a值都呈

先降低再升高的趋势。贮藏结束时，CK组的a值最高，UV-C和LED红光复合

处理组和LED红光处理组的a值最小，说明这两组颜色最绿，两组无显著差异

（P>0.05）o

由图3c可见，Id后，CK组的b值一直保持最高，说明其颜色最黄。UV-C

和LED红光复合处理组和LED红光处理组的b值最小，且这两组无显著差异（P

>0.05）o2d后，UV-C和LED红光复合处理组与UV-C处理组b值差异显著（P

<0.05）o在贮藏结束时，UV-C和LED红光复合处理组的b值（18.24）tLUV-C

处理组（35.75）低49%,比LED红光处理组（22.11）低17.5%。

综上，复合处理组的颜色变化最小，LED红光处理的效果好于UV-C处理的

效果，与感官评价结果一致。

4UV-C和LED红光复合处理对西兰花质量损失率的影响

图4UVC和LED红光复合处理对西兰花质・损失率的影响

由图4可知，在贮藏期间，西兰花的质量损失率逐渐增加。所有处理组中，

UV-C和LED红光复合处理组在贮臧结束时质量损失率最低，比CK组低36%（P

<0.05）,但与UV-C处理组和LED红光处理组差异不显著（PA0.05）。

UV-C+LIGHT处理组、LIGHT处理组与CK组差异不显著（P>0.05）,因此日

光照射对西兰花的质量损失没有明显的抑制效果。

5UV-C和LED红光复合处理对西兰花呼吸强度的影响

UV-CUV-C+LIGHT

UV-C+LED-M-CK

LIGHT

b

4

贮藏时间/d

图5UV・C和LED红光复合处理对西兰花呼吸强度的影响

由图5可知，西兰花在贮藏期间的呼吸强度先升高再降低，在第3天出现呼

吸高峰，同时加快了其表面黄化的速率（图2）。在第1天，LED红光处理组的

呼吸强度比CK组低15%,到第4天，其呼吸强度比CK组低20%,表明LED

红光处理对西兰花的呼吸作用有抑制效果，降低其黄化的速率。而在贮藏结束时,

UV-C照射的3个处理组呼吸强度均高于CK组，说明UV-C处理可能会增通西

兰花的呼吸作用。在贮藏的前3d,UV-C和LED红光复合处理组低于CK组，

但差异不显著。

6UV-C和LED红光复合处理对西兰花叶绿素含量的影响

UV-C-UV-C+LIGHT

UVC+LED-^-CK

o35-

(•ILIGHT—LED

却

o30-

曾•

)

o•25-

词

依o•20-

籁

•

噤o15-

土•

O10J

O

贮藏时间/d

图6UV（和LED红光复合处理对西兰花叶绿素含量的影响

由图6可知，西兰花的叶绿素含量在贮藏期间呈下降趋势。整个贮藏期间，

UV-C和LED红光复合处理组和LED红光处理组一直高于CK组，2d后，差异

显著（P<0.05）o在贮藏结束时，UV-C和LED红光复合处理组的叶绿素含量比

CK组高出59%,而LED红光处理组高出CK组63%。UV-C处理组的叶绿素含

量在前3d显著高于CK组（PV0.05）,在第1天，UV-C处理组的叶绿素含量比

CK组得出27%,但在第3天又比CK组低19%(PV0.05)。由此可得，UV-C

和LED红光复合处理对减少叶绿素在贮藏期间的损失效果较好，主要是LED红

光照射的作用。

7UV-C和LED红光复合处理对西兰花VC含量的影响

—UV«CUV-C+UGHT

—UWC+LED-*-CK

06r—LIGHT—LED

贮藏时间/d

图7UV・C和LED红光复合处理对西兰花VC含量的影响

由图7可知，在整个贮藏期间，VC含量呈下降趋势。除LIGHT处理组外,

其他处理组VC含量均显著高于CK组(P<0.05)o2d后，LJV-C和LED红光复

合处理组的叶绿素含量保持最高，与其他组呈显著性差异(PV0.05)。整个贮藏

期间UV-C组叶绿素含量都高于LED红光处理组，呈显著性差异(P<0.05)o贮

藏结束时,UV-C和LED红光复合处理组的VC含量比LED红光处理组高出48%,

比UV・C处理组高出44%。由此可得，UV・C处理较LED红光处理能更好地抑制

西兰花贮藏期间VC的分解。

8UV-C和LED红光复合处理对西兰花内二醛含量的影响

U百

n

泄

11区

图8UV・C和LED红光复合处理对西兰花丙二醛含量的影响

由图8可知，各组丙二醛含量在贮臧期间呈上升趋势。2d后，所有处理组

的丙二醛含量均显著低于CK组(P<0.05)o贮藏结束时，UV-C和LED红光复

合处理组、UV-C处理组、LED红光处理组丙二醛含量分别仅为CK组的56%、

75%、61%,复合处理效果显著高于UV-C单独处理组和LED单独处理组(P<

0.05)o由此可得，LED处理比UV-C处理更能抑制西兰花细胞膜的损伤，延缓

其衰老。

9UV-C和LED红光复合处理对西兰花抗氧化酶的影响

-UV4?uv^+UGirr

<LED-।

LIGHT

用9UV<加LEW!光|[6处。川西丝花FOD(A).CAT(B).

APX(C)活力的影，

由图9A可知，在贮藏期间西兰花的POD活力呈上升趋势。UV-C和LED

红光复合处理组POD活力高于CK组，呈显著性差异(PV0.05),在第1天，

UV-C和LED红光复合处理组的POD活力显著高出CK组92%(PV0.05),第4

天时，其POD活力比CK组高出38%0此外，在贮藏前期，UV-C处理组POD

活力显著高于CK组(P<().()5),而在贮臧末期，LED红光处理组显著高于CK

组(PV0.05),其原因有待进一步研究。由此可得，UV・C和LED红光复合处理

的效果最佳，可有效增强西兰花的POD活力，延缓其衰老。

由图9B可知，在贮藏过程中，CAT活力呈先上升后下降的趋势，在第3天

出现最大值，所有处理组在整个过程中CAT活力均高于CK组。贮藏期间，UV-C

和LED红光复合处理组和LED红光处理组的CAT活力显著高于CK组(P<

0.05),但复合处理组的CAT活力最高。在贮藏第1天，UV-C和LED红光复合

处理组的CAT活力是CK组的2.28倍，LED红光处理组的CAT活力则是CK组

的2.98倍。在贮藏前期，LED红光处理对西蓝花CAT活力影响显著。而UV-C

处理组的活力仅在第2、3天与CK组呈显著性差异(PV0.05),效果较LED处

理差。贮藏结束时，UV-C和LED红光复合处理组CAT活力比LED红光处理组

高出25%,比UV-C处理组高出48%。由此可得，LED红光对CAT的活力刺激

较明显，UV-C和LED红光复合处理的效果最佳。

APX在清除活性氧中起关键作用，影响植物的生长发育。由图9c可知，随

着贮臧时间的延长，APX的活力逐渐降低，各处理组均高于CK组。贮藏期间,

UV-C和LED红光复合处理组APX活力显著高于CK组(PV0.05),第4天时,

UV-C和LED红光复合处理组的APX活力高出CK组8%°LED红光处理组APX

活力仅在第2、3天与CK组差异显著(PV0.05),但UV-C和LED红光复合处

理组和LED红光处理组仅在第3天存在显著性差异(P<0.05)o2d后，UV-C

和LED红光复合处理组的APX活力高于UV-C处理组,呈显著性差异(PV0.05)。

在贮藏结束时，UV-C和LED红光复合处理组的APX活力比LED红光处理组高

出3%,比UV-C处理组高出6%。由此可得，LED红光对CAT的活力影响较明

显，UV-C和LED红光复合处理的效果最佳。

讨论

复合处理能更好地维持果蔬品质。本研究中，用UV-C和LED红光复合对

西兰花进行照射处理，发现其可有效维持其感官品质，延迟黄化，抑制丙二醛含

量的上升，延缓叶绿素和VC含量的下降，提高POD、CAT和APX活性，能很

好地保持西兰花的采后品质和营养价值，延长其货架期。而单一的UV-C处理和

LED红光处理虽然也能改善西兰花的采后贮藏品质，但效果远不及UV-C和LED

红光复合处理。因此，UV-C和LED红光复合处理的保鲜效果优于单独处理的效

果，为后期对不同保鲜方法结合的研究提供了一定的理论参考。

附参考资料;UV-CLED技术及其在消毒领域的应用

UV-CLED的引入及现状

过去儿年来，UV-CLED日益受到关注，因为它们可以作为紧凑型UV-C辐

射源，用于消毒应用。尤其是消费市场上对辐射通量要求较低的移动应用，可以

用这些基于全新铝钱氮(AlGaN)材料系统的LED来解决。相比基于广为人知的成

熟系统钢铁氮(InGaN)的蓝光和白光LED,UV-CLED仍处于技术引入阶段。

图1：UV-CLED和UV-C灯具在产品生命周期曲线上所处的位置。

另一方面，市面上有传统的低压汞放电灯，这是一项有着数十年应用经验的

成熟技术。从参数上看，由于LED参数相比传统灯还存在很大差异，因此，以

LED直接替代UV-C灯具在目前看来仍是一个长远目标。然而，从其他应用引入

可见光LED的实际经验来看(例如汽车照明、通用照明和植物照明)，其发展速

度相当快，因此，从原有技术过渡到新技术的速度可能比预期更快。

图2很好地概括了艾迈斯欧司朗当前UV-CLED产品组合的功率等级、驱动

电流和效率。由此可以得出关于替代传统灯具的列步结论。

OSLON®UV-Cportfoliooverview

OSRAMUV-CportfottotodHAnHctkmapplicMons

图2：艾迈斯欧司朗UV-CLED产品组合概览。

目前，UV-CLED的辐射通量与传统UV-C灯具相比低了4-100mW,但在所

有其他LED应用中，传统UV-C灯具并非一对一地被替代，而是被多个以不同

数量和形状排列的LED所替代。与传统灯具相比，另一个较大差异就是电光转

化效率(WPE)。想要轻易弥补与UV-C灯具在高效率上的巨大差异，目前看来尚

无法做到。在通用照明应用中，使用低电流密度的LED来提高照明效果是一种

常见的做法。遗憾的是，效率上的巨大差距无法通过这种方式来弥补。

在很多应用中，使用寿命被视为LED光源的一大优势。在这方面，LED的

性能远优于其他传统光源，并且支持采用完全不同的系统设计，因为光源在产品

的使用寿命内无需更换。对于UV-CLED而言，由于新材料系统在解决锢钱氮已

知的老化问题方面出现了新的挑战，因此其发展仍处于起步阶段。

最后，在性价比方面，LED与传统灯相差甚远。我们所定义的性价比是指

UV-C波长范围内的辐射通量成本，以欧元/瓦或美元/瓦为单位。目前，11丫(灯

具和LED的成本之间大约有100倍的差距。

这种情况看起来相当具有挑战性，但与传统灯具相比，LED也有其优势所

在。传统灯具的光谱主要由波长254纳米的汞特征发射谱线决定，波长无法改变

或调整。LED的发射波长则可调节和优化，从而达到最高效率。一些研究和标

准显示，265纳米波长的杀菌效果最为理想，这也是UV-CLED的优化目标，在

此波长下，UV-CLED的杀菌效果比传统灯高15%左右，而达到相同杀菌效果所

需的系统辐射通量可降低15%o

这项新技术的另一大优势是，开关不会影响到LED的寿命。传统灯的开关

次数有限，因为开关会对使用寿命产生不利影响。

从应用角度来看，LED最大的优势在于外形小巧，且具有类似于点光源的

特点。高辐射可实现狭窄光束的辐射特性，从而使紧凑高效的系统设计成为可能。

在这种情况下，UV・C灯具的光学效率可远高于那些辐射度较低且发射面积较大

的灯具系统。

根据目前的UV-CLED参数，LED似乎很难在短期内普代UV-C灯具。

UV-CLED的发展和应用效率

为了对UV-CLED替代现有UV-C灯具传统光源时间点进行现实、合理的评

估，我们进行了总体摭有成本评估。在此评估中，我们仅关注UV-C光源。灯具

外壳、尺寸、设计等其他成本因素暂不作考虑。

该评估中，总体捱有成本是指最初购买UV-C光源的成本、使用寿命结束时

更换光源的成本，以及灯具使用过程中由UV-C光源产生的能源成本。总体拥有

成本的计算基于图3所示的LED和灯具系统的四个主要输入参数，包括性价比、

效率、使用寿命和应用效率。

20222030

图3：总体拥有成本计算的4个输入参数。

图4：2030年前UV-C光源的性价比路线图。

对于每个输入参数，我们都考虑了它们目前的状况，以及来年至2030年的

发展情况。这些对未来情况的预测均基于内部估计和假设，以及市场研究中得出

的见解.，可能会发生变化，无法给予保证。

性价比发展趋势

图4中的性价比发展趋势可能是最受关注的一点，因为从目前的角度来看，

UV-CLED和UV-C灯具之间的差距较大。

该图显示了LED和传统灯具之间性价比系数的发展趋势。该系数表明了

UV-CLED光源比UV-C灯具贵多少倍，单位为欧元/瓦.由于不同LED和传统

灯具类型以及功率等级之间的价格差异很大，因此为该路线图假设了一个平均

值。目前，该系数约为100。一些有说服力的迹象表明，UV-CLED的性价比将

在未来一年显著提高，并且将越来越接近传统灯具的成本。最有意思的一点是：

是否必须达到传统低压汞灯相同的性价比水平，UV-CLED才能在消毒应用中具

有竞争优势并替代传统灯？答案显然是否定的。

对比其他LED成功替代传统光源的应用，可以清楚看到，未必非要达到传

统灯的性价比，才能实现替代并在应用中获得成功。图5的两个示例显示了街道

照明和植物照明应用中LED的性价比发展趋势。

图5：LED在街道照明和园艺应用中的性价比发展趋势。

在街道照明应用中，白色大功率LED的价格在过去几年中已大幅下降，即

便在目前，LED光源的价格（单位为欧元/流明）还是高于传统光源，但LED己被

视为新装街道照明的先进光源。

植物照明应用中的LED也是如此。与街道照明应用中的白光LED相比，植

物照明应用中红光LED的性价比差异更加明显。然而，目前大多数新设计都是

围绕LED光源进行的，园艺LED市场也在不断增长。

这清楚表明，尽管性价比是系统设计过程中的重要因素，但并非一定要达到

传统灯的性价比才能在应用中取得成功，因为判断依据并非仅凭性价比这一个因

素，还要结合整个系统，并且在计算总体拥有成本时要将LED设计的所有其他

参数纳入考量。

效率

接下来要讨论的参数是图6中的光源效率。图中可以看出，UV・C灯具的效

率远高于UV-CLED。由于本次评估假设LED的峰值波长为265纳米，因此效率

己做调整，并按提高15%调整到265纳米时的杀菌效果。

UV-CLEDtargetat265nm

ConventionalIT/-Cmercurylamp・265nmweighted

图6：2030年前UV-C光源的效率路线图。

假设传统UV-C灯的效率发展趋势十分平缓，因为该技术己非常成熟，预计

未来几年有所改进的兀能性不大。由于UV-CLED仍处于技术的引入和早期阶段,

预计未来几年将有重大改进。有待改进的几个方面包括外延层、芯片设计和结构

以及封装设计和材料等。

寿命

LED的改进还需考虑使用寿命的延长，如图7所示。在合理的运行条仁下,

LED的使用寿命已经达到目前普通UV-C灯的使用寿命范围，并且有望在未来几

年有所提高，这将显著影响总体拥有成本计算中UV-C光源的成本，因为更换

LED光源非常昂贵。而传统UV-C灯的使用寿命预计不会有所改进。

40000

worn

Q2Q22MM2SXMM2Q2S200*

图7：未来几年UV-C光源的使用寿命发展路线图。

LED系统还有另一个特点，可与UV传感器结合使用，确保闭环监控系统

中的恒定输出。由于LED是电子装置，其电流源可以通过微控制器实现轻松控

制。如果辐射通量下降，系统中的UV传感器可以测量到偏差，微控制器则可相

应调整LED驱动器的电流，使应用中的目标辐照水平始终保持在所需水平c

效率

计算总拥有成本的最后一个输入参数是UV-C灯具在不同应用中的应用效率

或系统效率。图8中所示的四个应用可作为示例，用于展示和判断应用效率对总

拥有成本计算的影响。这些数值均来自产品数据手册和内部模拟。

100%■UV-CLampa^pkcalion•flMncy

■UV-CLEDappbcaoon•Mciency

90%■UV-CSourceCost

■EnergyCost

图8：传统灯具和LED系统用于UV-C消毒的应用效率。

图9.传统灯具和LED系统的总体拥有成本比较示例

在UV-C上层空气处理应用中，系统在天花板下产生一道非常窄的UV-C辐

射光束。由于要求辐射范围小于10。，而且灯具的尺寸有限，因此可认为该系

统集光率有限，并且很难通过光学器件将UV-C灯的辐射导入窄光束。在灯具尺

寸一定的情况下，只能通过牺牲大量辐射，以作为系统中的光学损耗来实现这项

任务。LED的高辐射点光源特性可以高效准直，因此非常适合此类应用。应用

效率的巨大差异将对总体拥有成本的计算产生极大影响。

在UV・C空气处理应用中，空气在通风作用下通过灯箱时，由UV・C辐射进

行处理。使用传统灯具时，根据灯箱的长度，光子从光源传播到灯箱壁的自由距

离会非常短。因此，灯箱壁的反射率对系统效率有很大影响。模拟结果表明，与

传统灯具系统相比，在光学辐射通量相同的情况下，具有准直窄光束的LED系

统在系统内的平均辐照度可能要高出2-3倍。

在表面处理应用中，则使用简单的UV-C棒式灯具。目标是将辐射均匀地覆

盖表面。这就要求灯具基本上要具有半球形的辐射特性。如果使用传统灯，则必

须使用反射系统将全向辐射转化为半球形辐射、

这些系统会造成光学损耗，降低灯具的应用效率。UV-CLED的优势在于其

同有的半球形辐射特性，这有助于降低系统中的光学损耗，提高应用效率。

本次评估的最后一个应用是UV-C城市饮用水处理。在此应用中，LED和传

统灯具系统的应用效率非常接近。传统灯的全向辐射特性和大辐射面积在系统设

计中没有明显的不利影响，因为水通常在光源周围流动，没有任何额外的光学系

统。大型LED反应装置仍然很少见。内部模拟和评估表明，由于LED系统的小

尺寸、辐射特性和布置灵活性，其在应用效率方面只有很小优势。未来随着新

LED反应装置设计的出।现，这一点可能会有所改变。

基于这些UV-C光源的输入数据、随时间推移而发生的进展，以及对每个应

用的系统和操作参数所做的假设，总体拥有成本将评估未来几年到2030年的情

况，其中仅关注UV-C光源。图9给出了一个示例。

总体成本包括UV-C光源的成本部分，该部分考虑最初购买光源的费用，以

及光源达到寿命期限时的更换费用(按5年使用寿命计算)。第二个部分是考虑系

统中UV-C光源在使用寿命期间所用能源的累积成本。这两部分共同组成了传统

灯具系统和LED系统中UV-C光源的总体拥有成本。

总体拥有成本(TCO)评估

UV-C上层空气处理应用总体拥有成本评估结果

如前所述，传统灯具和LED系统在光学效率上的巨大差异对总体拥有成本

计算中的成本构成有极大影响，如图10所示。

图1()：未来几年UV-C上层空气处理应用的总体拥有成本评估。

相较于占比较大的能源成本，传统灯具系统的UV-C光源成本极低。这是由

于系统的低光学效率所导致。在LED系统中，能源成本占比较小，而UV-C光

源成本占比较大。从这里可以看出，对于集光率有限的系统而言，高辐射或点光

源特性优势明显，但同时LED产生的UV-C辐射的价格居高不下。评估结果表

明，用LED替代传统UV-C灯在目前已成为可能，而且，LED系统相对于传统

灯具解决方案的节省优势在未来几年将增加。

UV-C空气处理应用的总体拥有成本评估结果

在UV-C空气处理应用中，不同uv-c技术间的应用效率差异正在逐步缩小。

因此，传统灯具和LED灯具的能源成本非常接近。

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图11：未来几年UV-C空气处理应用的总拥有成本评估。

图11显示，未来几年，总体拥有成本的巨大差异是由UV-C光源成本造成

的。图中可以看出，LED的价格较高，导致总体拥有成本较高。但根据路线图,

到2025年，LED效率的提高和光源成本的降低使LED系统略呈优势，表明其

替代传统灯具的可能性。

UV-C棒式灯具表面处理应用总体拥有成本评估结果

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