Dans le contexte actuel de revalorisation de la consommation des fruits et légumes, il est essentiel de connaître l'impact des procédés de transformation sur leurs composés d'intérêt nutritionnel. Cette problématique a été appliquée aux polyphénols et aux fibres alimentaires de la pomme et à deux produits : la quatrième gamme et la compote. L'originalité de l'approche repose sur un suivi de ces composés étape par étape au cours de procédés industriels et sur une caractérisation physique et sensorielle complémentaire des produits transformés. La caractérisation physique et sensorielle des produits transformés a permis de mettre en évidence les spécificités des compotes étudiées et l'impact de la matière première utilisée. Dans le cas de la quatrième gamme cette caractérisation a servi une étude de faisabilité industrielle et a permis de choisir les meilleures conditions atmosphère/variété. Le suivi des polyphénols et des fibres alimentaires de la pomme à la compote a révélé l'importance de l'agencement des étapes du procédé. La cuisson avant raffinage permet l'extraction d'une partie des polyphénols et des pectines et leur maintien dans la purée. Le stockage du produit en bac tampon dégrade par contre ces composés. En définitive, polyphénols et capacité antioxydante sont préservées au cours du procédé compote. En revanche, la teneur en fibres diminue mais la proportion en fibres solubles et les propriétés d'hydratation augmentent. Ces composés sont globalement préservés dans la pomme quatrième gamme après 12 jours de conservation. Ce procédé maintien les qualités nutritionnelles du fruit frais mais sa fragilité reste un obstacle à sa commercialisation.

Ces travaux de thèse avaient pour but de formuler, de caractériser et de valider un pain élaboré à partir de farines sélectionnées pour améliorer son pouvoir satiétogène. Fort est de constater que depuis plusieurs décennies, la prévalence du surpoids et de l’obésité est croissante. Les risques liés à l’obésité ont un impact sur l’espérance de vie qui stagne dans certains pays développés. Pour lutter contre cette pandémie, la consommation de fibres alimentaires semblerait avoir un effet positif sur la diminution de la sensation de faim, sur la diminution des prises caloriques ainsi que sur la diminution du poids chez des personnes obèses. Ainsi, ce travail de thèse a d’abord consisté à formuler deux pains expérimentaux enrichis en fibres : un pain typé « pain complet » (PF1) et un pain typé « pain aux céréales ». (PF2) Afin de valider les effets de ces pains sur l’organisme, deux types d’études ont été menés : des études à court terme et des études à long terme. Deux études ont été réalisées à court terme. La première étude a montré que le pain le plus enrichi en fibres était considéré comme plus rassasiant qu’un pain de mie blanc, et les participants diminuaient les quantités consommées pour ce type de pain. La deuxième étude a montré que la réapparition de la faim était plus lente pour le pain le plus riche en fibres. Enfin, une étude à long terme menée auprès de participants normopondéraux consistait à proposer une quantité fixe et importante des pains PF1 et PF2 au petit-déjeuner. Au bout de 15 jours d’exposition, les participants déclaraient avoir moins faim suite à la consommation de ces pains enrichis en fibres. De plus, pour le pain PF1, les participants diminuaient leur prise calorique comparativement à une situation contrôle. Au final, l’ensemble de ces études a permis de cibler un pain expérimental et un paradigme à suivre pour une étude menée auprès de participants en surpoids et obèses dans le cadre d’un régime amaigrissant, pour améliorer le bien-être lié au vécu de ce régime. / This PhD project was aimed at the formulation, the characterization and the validation of one bread, processed from flour selected to increase the satiety effects on humans. For the last several decades, the prevalence of overweight and obesity around the world has been increasing. The risks of obesity are responsible for a stagnation of life expectancy in some industrialized countries. In order to stop this pandemic phenomenon, dietary fibre appears to have beneficial effects on the decrease in feeling hunger, caloric intake and body weight of obese participants. The first goal of this work was to process two fibre-enriched breads: one of them was a “whole grain” bread (PF1), and the second one a “multigrain bread” (PF2). In order to validate the effects of these two breads on human metabolism, two experimental design studies have been led: short term studies, and long term studies. Two short-term studies have been led. The first study evidenced that the most fibre-enriched bread was expected to be more satiating than a white bread, and thus, participants reduced the weight of this bread eaten. The second experiment showed that hunger sensation reappeared more slowly for the most fibre-enriched bread. Finally, a long term study was conducted on average weight participants, aimed at serving a fixed and important weight of the PF1 and PF2 breads during breakfast. After two weeks of exposure to these fibre-enriched breads, participants felt less hungry. Furthermore, for the PF1 bread, participants also decreased their caloric intake in comparison to a controlled condition. In conclusion, all of these studies permitted to target one experimental bread and a paradigm to be followed, in order to lead a study examining overweight or obese participants during a weight-loss diet, with the aim of increasing the well-being experienced from the diet.

La fermentation des fibres alimentaires est l’une des fonctions majeures du microbiote intestinal humain. Les bactéries fibrolytiques synthétisent un grand nombre d’enzymes, appelées Glycoside Hydrolases (GH), indispensables à la déconstruction de la grande variété structurelle des polysaccharides pariétaux que nous ingérons. Au cours de ce travail, nous avons exploré, grâce à une approche de métagénomique fonctionnelle, l’organisation et les propriétés des systèmes enzymatiques bactériens impliqués dans la dégradation des glycanes de parois végétales dans l’intestin humain.En premier lieu, nous avons cherché à déterminer si les bactéries de la muqueuse iléale étaient capables de dégrader les fibres pariétales dans un contexte sain. Cette fonction étant généralement décrite pour le microbiote colique par extrapolation de travaux menés à partir de selles humaines, nos connaissances de la dégradation des fibres dans la partie haute du tractus digestif sont donc très limitées. Un total de 20 000 clones issus du métagénome bactérien d’une partie saine de la muqueuse iléale d’un individu a été criblé pour des activités de dégradation de la carboxymethylcellulose et du xylane, deux substrats modèles des polysaccharides pariétaux. Douze clones métagénomiques positifs nous ont permis de mettre en évidence un arsenal de gènes bactériens codant pour des GH et d’autres protéines impliquées dans le métabolisme des fibres alimentaires dont certains organisés en PUL (Polysaccharide Utilization Loci), des clusters de gènes spécialisés dans la dégradation des polysaccharides complexes. Ces gènes proviennent de chromosomes bactériens assignés au genre Bacteroides ou à des espèces de Clostridiales, et codent pour des enzymes capables de dégrader également des β-glucanes à liaisons mixtes. L’étude de la prévalence de ces gènes dans les métagénomes de référence indique que plusieurs d’entre eux proviendraient de souches bactériennes plutôt spécifiques de la muqueuse iléale. De plus, certaines enzymes présentent des propriétés inédites potentiellement intéressantes dans le domaine biotechnologique. Nos recherches ont donc permis de revisiter la fonction fibrolytique du microbiote intestinal chez l’Homme et de proposer une localisation de cette fonction dès l’intestin grêle.Dans un second temps, en utilisant une approche méthodologique similaire, nous avons étudié la capacité du microbiote fécal d’un individu obèse à dégrader des polysaccharides pariétaux complexes, en général moins consommés par les individus obèses. Au total, nous avons identifié 50 clones appartenant à 14 espèces bactériennes des phyla suivants : Bacteroidetes, Firmicutes et Actinobacteria. Les inserts métagénomiques portent des gènes codant pour différentes familles de GH, impliquées dans la dégradation des polysaccharides d’intérêt. Les premières analyses de la prévalence de ces gènes chez plus d’une centaine d’individus (obèses ou non), par interrogations des catalogues de gènes microbiens de référence, suggèrent des associations avec le statut phénotypique « obèse ». / Among the crucial functions of the intestinal microbiota, extracting energy from food such as dietary fibres is of major importance. Facing the huge diversity of incoming complex carbohydrates, the fibrolytic bacteria synthesize a set of diversified Carbohydrate-Active Enzymes (CAZymes) including Glycoside Hydrolases (GH) that specifically disrupt complex polysaccharides. Here, using functional metagenomic approaches, we explored the organization and properties of bacterial enzymatic systems involved in the breakdown of plant cell wall (PCW) glycans in the intestinal tract.Firstly, we investigated the capacity of the microbiota associated to the human ileum mucosa to degrade complex non-starch polysaccharides in a healthy context. This function has never been investigated in this part of the intestine, but it has been rather associated to microorganisms inhabiting the colon, due to more accessible fecal samples. Using a fosmid library derived from a healthy part of the human ileal mucosa, we screened 20,000 metagenomic clones for their activities against carboxymethylcellulose and xylan chosen as models of the major PCW polysaccharides from dietary fibres. Twelve positive clones revealed a broad range of CAZyme encoding genes from Bacteroides to Clostridiales species, as well as Polysaccharide Utilization Loci (PUL). Functional GH genes were identified and break-down products examined from different polysaccharides including mixed-linkage β-glucans. Revealed CAZymes and PUL were also examined for their prevalence in human gut microbiomes. Part of them belongs to unidentified strains rather specifically established in the ileum. Others were enzymes unclassified in identified GH families or with original properties addressing novel candidates for biotechnological applications. Thus, we evidenced for the first time that the ileal mucosa associated-microbiota encompasses the enzymatic potential for PCW complex polysaccharide degradation that might start in the small intestine.In a second time, by using the same methodology, we harvested the enzymatic capacities of the fecal microbiota from an obese person to disrupt complex polysaccharides from dietary fibres usually consumed in lower quantity in obese people. This study aimed at examining the links between genes encoding enzymes specifically dedicated to PCW complex carbohydrates and the obese phenotypic status using reference microbial gene catalogs. We screened a fecal metagenomic library from an obese individual on representative PCW substrates and identified 50 clones belonging to 14 different species from the Bacteroidetes, Firmicutes and Actinobacteria phyla. The metagenomic inserts harbor genes encoding enzymes from GH families specific from complex carbohydrate degradation. First querying of the prevalence of these genes in hundreds individuals (obese and control), using catalogs of reference microbial genes, suggest associations with the "obese" phenotypic status.

L'objectif de ce travail est de présenter un modèle générique de la digestion dans l'intestin grêle. Dans la première partie de ce travail, un modèle mécaniste basé sur les équations différentielles ordinaires est utilisé pour présenter la digestion : les équations décrivent l'évolution de la position et de la composition du bolus provenant de l'estomac. Chaque bolus est représenté par un cylindre. Ce modèle prend en compte simultanément les différents aspects de la digestion à savoir le transport du bolus dans la lumière intestinale, la dégradation des aliments par des enzymes, et l'absorption des nutriments. Dans la deuxième partie de cette étude, nous utilisons les méthodes d'homogénéisation mathématique pour justifier le modèle de la digestion développé dans la première partie. Nous montrons que ce modèle peut être considéré comme une version macroscopique des modèles plus réalistes, qui contiennent des phénomènes biologiques à des échelles inférieures de l'intestin grêle : (i) les ondes péristaltiques à haute fréquence (échelle du temps microscopique) et leurs effets sur la vitesse du bolus, (ii) la présence des villosités intestinales (échelle microscopique de l'espace) et leur influence sur la digestion. Enfin, dans la troisième partie de ce travail, nous étudions l'influence du changement de la structure de bolus sur la digestion en intégrant les fibres alimentaires dans sa composition. Les deux principales caractéristiques des fibres alimentaires qui interagissent avec la fonction de l'intestin grêle, à savoir, la viscosité et la capacité de rétention d'eau ont été modélisées. Ce modèle nous a permis de considérer, en particulier, la relation entre l'évolution de la matière sèche et de l'eau au sein du bolus. Bien que ce modèle est générique et contient un grand nombre de paramètres, à notre connaissance, il est parmi les premiers modèles dynamiques qualitatives de l'influence des fibres sur la digestion intestinale.

L’optimisation de l’utilisation de phosphore reste un enjeu majeur pour assurer la durabilité de nos filières avicoles et porcines. Aujourd’hui, l’utilisation de coproduits, relativement riches en fibres alimentaires, est grandissante. Or, les fibres alimentaires sont reconnues pour moduler les processus de digestion et la digestibilité des nutriments. Ce travail de thèse a permis de progresser sur les mécanismes digestifs engendrés par l’apport de coproduits riches en fibres alimentaires et leurs effets sur la digestion des minéraux, en lien avec la phytase microbienne, spécifiquement chez le porc et le poulet. Leurs conséquences métaboliques en terme de balance minérale et d’équilibre acidobasique ont également été mises en évidence Les connaissances acquises vont contribuer à l’amélioration de l’apport en minéraux, notamment de phosphore et de calcium, dans des formules diversifiées chez le porc et le poulet. A terme, ceci permettra de mieux adapter nos systèmes d’alimentations au regard des enjeux de durabilité. / The optimisation of the use of phosphorus remains a major challenge to ensure the sustainability of poultry and pig industry. Today, the use of co-product, relatively rich in dietary fibre, is increasing. However, dietary fibre is known to modulate digestion processes and digestibility of nutrients. This work contributed to progress on the digestive mechanisms generated by the intake of dietary fibre from coproducts and their effects on the digestion of minerals, in relation with microbial phytase, specifically in pigs and chickens. Their metabolic consequences in terms of mineral and acid-base balance have also been demonstrated. The knowledge gained will contribute to the improvement of the intake of minerals, in particular phosphorus and calcium, in diversified formulas in pigs and the chicken. Finally, this will allow us to better adapt our feeding systems to the challenges of sustainability.

L’objectif de cette étude est de modéliser la digestion dans l’intestin grêle : le transport des aliments par les ondes péristaltiques, la dégradation par les enzymes endogènes et exogènes et l’absorption active et passive. Un modèle mécaniste basé sur les équations différentielles ordinaires a été utilisé pour représenter la digestion. Les équations décrivent l’évolution de la position et de la composition du bolus provenant de l’estomac. Nous montrons ensuite par les méthodes d’homogénéisation mathématiques que ce modèle peut être considéré comme une version macroscopique des modèles plus réalistes, qui contiennent des phénomènes biologiques à des échelles inférieures de l’intestin grêle. Enfin, nous étudions l’influence du changement de la structure de bolus sur la digestion en intégrant les fibres alimentaires dans sa composition. Les deux principales caractéristiques des fibres alimentaires qui interagissent avec la fonction de l’intestin grêle, à savoir, la viscosité et la capacité de rétention d’eau ont été modélisées. / The purpose of this study is to model the digestion in the small intestine : transport of the the bolus by the peristaltic waves, feedstuffs degradation according to the endogenous and exogenous enzymes and nutrients absorption. A mechanistic model based on ordinary differential equations is used to represent the digestion. The equations describe the evolution of the position and composition of the bolus of feedstuffs coming from the stomach. We prove by using the homogenization methods, that this model can be considered as a macroscopic version of more realistic models which contain the biological phenomena at lower scales of the small intestine. Finally, we investigate the digestion of a non-homogeneous feedstuffs matrix by integrating the dietary fibre in the bolus. The two main physiochemical characteristics of dietary fibre which interact with the function of the small intestine, i.e. viscosity and water holding capacity are modelled.

L’aulacode (Thryonomys swinderianus) est un rongeur herbivore récemment domestiqué en Afrique pour la production de viande. Quelques études antérieures ont portés sur l’alimentation de cet animal, dans le but d’améliorer la productivité des élevages. A ce jour, nos connaissances sur la digestion et les besoins nutritionnels de cet animal sont encore très parcellaires. Le premier objectif de notre étude était d’améliorer nos connaissances sur la physiologie digestive de l’aulacode en croissance, en particulier en relation avec les apports de fibres alimentaires, avec pour finalité de proposer des recommandations nutritionnelles en fibres pour optimiser la croissance et la santé digestive de cet animal. Notre second objectif était d’analyser les effets d’une diminution du ratio protéines digestibles / énergie digestible parallèlement à une hausse des apports d’amidon, sur la digestion et les performances. La finalité était d’analyser les possibilités de formuler un aliment complet moins onéreux pour les éleveurs et qui respecte les besoins de l’aulacode en croissance. Notre étude a permis de savoir que le caecum est le compartiment digestif le plus important du jeune aulacode entre 1 et 3 mois d’âge, avec plus de 40% du contenu digestif total. L’activité microbienne caecale (100 mM d’acides gras volatils totaux (AGVt) par gramme de contenu frais) est élevée, et similaire à celle des ruminants ou d’autres herbivores monogastriques. Le profil fermentaire est caractérisé par une prédominance de l’acétate (75 % des AGVt) et un ratio propionate / butyrate supérieur à 1. Le pyroséquençage 454 de l’ADN16S bactérien a permis de caractériser le microbiote caecal. Au sevrage, nous observons une prédominance du phylum des Bacteroidetes, avec 51 % d’abondance relative, alors que le phylum des Firmicutes devient majoritaire (50%) à 3 mois d’âge. Le microbiote caecal est caractérisé par la présence de genres souvent identifiés dans d’autres écosystèmes digestifs d’herbivores, tels que : RC9 (2 à 8%), Parabacteroides (1 à 8%), Prevotella (3 à 6%) et Xylanibacter (1%), Erysipelotrichaceae Turicibacter (1 à 7%), Lachnospiraceae Incertae_Sedis (4 à 5%), Ruminococcaceae Incertae_Sedis (1 à 2%) et Ruminococcus (1 à 3%). D’autres genres, absents chez des espèces voisines comme le lapin et le cobaye, semblent plus spécifiques de l’aulacode, tels que Termite_Treponema_cluster (1.7 à 2.2%) et Treponema (7 à 13%), du phylum des Spirochaetes. L’analyse des performances zootechniques indique qu’un taux de fibres compris entre 17 et 21 % d’ADF représenterait un bon compromis entre santé digestive et croissance de l’aulacode après son sevrage. Descendre au dessous de 6 g de protéines digestibles par MJ d’énergie digestible, via une hausse importante des apports d’amidon et une baisse importante du taux de protéines brutes (en dessous de 11 %) et de fibres, est préjudiciable à la croissance des animaux. / The cane rat or grasscutter (Thryonomys swinderianus) is a rodent herbivore recently domesticated in Africa for meat production. Some previous studies focused on the feeding of this animal, in order to improve the productivity of farms. To date, our knowledge of digestion and nutritional requirements of this animal are still very scarce. Our first objective was to improve our knowledge of digestive physiology of the young grasscutter, particularly in relation to dietary fibre supply, in order to improve the recommendations for dietary fibre content of diets to optimize growth and digestive health. Our second objective was to analyze the effects of a decreased digestible protein / digestible energy ratio, along with an increased intake of starch, on digestion and performances. The final aim was to analyze the possibilities to formulate a complete feed, cheaper for farmers and that meets the requirements of the young grasscutter. Our study found that the caecum is the most important digestive compartment of the young grasscutter between 1 and 3 months of age, with more than 40% of the total gut contents. The caecal microbial activity (100 mM of total volatile fatty acids (VFA) per gram of fresh content) is high and similar to that of ruminants or other herbivorous monogastric animals. The fermentation profile is characterized by a predominance of acetate (75% of total VFA) and a propionate / butyrate ratio greater than 1. A pyrosequencing of bacterial 16S-DNA was used to characterize the caecal microbiota. At weaning (one month), we observe a predominance of the Bacteroidetes phylum, with 51% of relative abundance, whereas the Firmicutes phylum becomes predominant (50%) at 3 months of age. Caecal microbiota is characterized by the presence of genera often identified in other digestive ecosystems of herbivores, such as: RC9 (2-8%), Parabacteroides (1-8%), Prevotella (3.6%) and Xylanibacter (1%), Erysipelotrichaceae Turicibacter (1-7%), Lachnospiraceae Incertae_Sedis (4-5%), Ruminococcaceae Incertae_Sedis (1-2%) and Ruminococcus (1-3%). Other genera, absent in related species such as rabbits and guinea pigs, seemed more specific of the grasscutter, such as Termite_Treponema_cluster (1.7-2.2%) and Treponema (7-13%) of the Spirochaetes phylum. The analysis of growth performances indicated that a dietary fibre content between 17% and 21% of ADF represents a good compromise between digestive health and growth of the grasscutter after weaning. Decreasing below 6g of digestible protein / MJ of digestible energy, via a high increase in starch intake and a significant decline in crude protein content (below 11%) and fibre, is detrimental to the growth of animals.

La dégradation des fibres alimentaires est une fonction essentielle des écosystèmes digestifs microbiens. Chez le ruminant, elle est assurée par des bactéries, champignons et protozoaires capables de produire de nombreuses enzymes nécessaires à l’hydrolyse des polysaccharides de paroi végétale. Parmi les facteurs susceptibles d’influencer l’efficacité de dégradation des fibres, qui est une composante importante de la productivité et de la santé animales, des additifs tels que des levures probiotiques apparaissent comme un levier intéressant. Afin d’approfondir les connaissances sur les facteurs de modulation de l’activité fibrolytique, une biopuce ADN fonctionnelle, outil moléculaire haut-débit, ciblant les gènes codant les enzymes clés de la dégradation de la cellulose et des xylanes dans les écosystèmes digestifs a été développée. Aussi, une méthode efficace dédiée à des échantillons ruminaux pour la soustraction des ARNr à partir des ARN totaux a été mise au point afin d’accroitre la sensibilité de l’outil. La biopuce fonctionnelle a été validée sur échantillons de complexité croissante et démontre d’excellents caractères de spécificité et de sensibilité tout en étant exploratoire et quantitative. Des régulations différentielles de l’arsenal des gènes de la fibrolyse de la bactérie du rumen Fibrobacter succinogenes ont pu être montrées. De même, les résultats sur échantillons de rumen suggèrent un rôle des microorganismes eucaryotes dans la fibrolyse pouvant être plus important qu’initialement envisagé. Cette approche métatranscriptomique dirigée pourra in fine continuer d’être appliquée dans l’étude de l’impact de facteurs biotiques et abiotiques sur la fonction fibrolytique microbienne chez les animaux d’élevage. / Dietary fibre degradation is an essential function of microbial digestive ecosystems. In ruminants, this function is ensured by bacteria, fungi and protozoa, producing a large array of enzymes able to degrade plant cell wall polysaccharides. Among factors likely to influence the efficiency of fibre degradation, which is an important component in animal productivity and health, dietary additives such as probiotic yeasts appear as an interesting tool. To provide more insight on factors modulating fibrolytic activity, we designed a functional DNA microarray targeting genes coding for key enzymes involved in cellulose and xylan degradation by digestive microbiota. Also, an efficient method dedicated to rumen samples for removing microorganisms’ rRNA from total RNA samples was developed to increase the sensitivity of the tool. The DNA microarray was validated using targets of increasing complexity and demonstrated sensitivity and specificity as well as explorative and quantitative potential. Differential expression of genes involved in fibrolysis was evidenced in the rumen bacterium Fibrobacter succinogenes. Moreover, results on rumen samples suggest a more important role of eucaryotes in fibre degradation than previously thought. This targeted metatranscriptomic approach will be further applied to the study of the impact of biotic and abiotic factors on the microbial mechanisms of fibre degradation in livestock.

Ces travaux de thèse avaient pour but de formuler, de caractériser et de valider un pain élaboré à partir de farines sélectionnées pour améliorer son pouvoir satiétogène. Fort est de constater que depuis plusieurs décennies, la prévalence du surpoids et de l'obésité est croissante. Les risques liés à l'obésité ont un impact sur l'espérance de vie qui stagne dans certains pays développés. Pour lutter contre cette pandémie, la consommation de fibres alimentaires semblerait avoir un effet positif sur la diminution de la sensation de faim, sur la diminution des prises caloriques ainsi que sur la diminution du poids chez des personnes obèses. Ainsi, ce travail de thèse a d'abord consisté à formuler deux pains expérimentaux enrichis en fibres : un pain typé " pain complet " (PF1) et un pain typé " pain aux céréales ". (PF2) Afin de valider les effets de ces pains sur l'organisme, deux types d'études ont été menés : des études à court terme et des études à long terme. Deux études ont été réalisées à court terme. La première étude a montré que le pain le plus enrichi en fibres était considéré comme plus rassasiant qu'un pain de mie blanc, et les participants diminuaient les quantités consommées pour ce type de pain. La deuxième étude a montré que la réapparition de la faim était plus lente pour le pain le plus riche en fibres. Enfin, une étude à long terme menée auprès de participants normopondéraux consistait à proposer une quantité fixe et importante des pains PF1 et PF2 au petit-déjeuner. Au bout de 15 jours d'exposition, les participants déclaraient avoir moins faim suite à la consommation de ces pains enrichis en fibres. De plus, pour le pain PF1, les participants diminuaient leur prise calorique comparativement à une situation contrôle. Au final, l'ensemble de ces études a permis de cibler un pain expérimental et un paradigme à suivre pour une étude menée auprès de participants en surpoids et obèses dans le cadre d'un régime amaigrissant, pour améliorer le bien-être lié au vécu de ce régime.

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