簡述人體工程學(xué)的研究方法范文

時間:2023-12-25 17:37:55

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簡述人體工程學(xué)的研究方法

篇1

引言

人體工程學(xué)研究的主要內(nèi)容是人、人和物品、人和環(huán)境之間的關(guān)聯(lián),為了能夠更好更高效的實(shí)現(xiàn)各種訂立目標(biāo),為其提供科學(xué)的理論依據(jù)與定量依據(jù)。室內(nèi)設(shè)計主要是通過對室內(nèi)家具的陳設(shè)、組織的擺放、視覺環(huán)境的處理與物理環(huán)境的融合,以最大程度的滿足人們對生產(chǎn)生活的要求,單從室內(nèi)設(shè)計的角度來說,人體工程學(xué)主要研究的是人、人和物品、人和環(huán)境彼此之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),但是室內(nèi)設(shè)計是把這種內(nèi)在聯(lián)系外在化呈現(xiàn),彼此間的關(guān)系是靈魂和外表的關(guān)系。但是實(shí)際情況不是這樣子的,出現(xiàn)這種誤解的原因主要是因?yàn)槿藗儗θ梭w工程學(xué)與室內(nèi)設(shè)計的認(rèn)識不足,另外一個則是人們對二者間的關(guān)聯(lián)性理解不足。

人體工程學(xué)的基本參數(shù)

人體基礎(chǔ)參數(shù)具體包含以下幾個方面的內(nèi)容,也就是人體組成結(jié)構(gòu)、人體參照數(shù)據(jù)、人體工作范圍和人的心理因素等。

1.人體尺度大小與不同地區(qū)人種間的差異

人體尺度大小所指的是某一個部分或者某一個整體的尺寸大小,其中有身高、臂長、肩寬和腿長等等多個部分的內(nèi)容。全球各個范圍內(nèi)不同人種之間的生理尺寸之間有較大的差異。依照相關(guān)報道資料顯示,荷蘭人不僅男人個高,平均身高為182.5厘米,且女性身高也達(dá)170厘米,東方人到荷蘭常常因?yàn)闊o法夠到汽車的扶手手環(huán)而鬧笑話。這些因素直接決定了各個不同地區(qū)的實(shí)用工具與用品尺寸之間的差異。

2.人體動作范圍

室內(nèi)設(shè)計過程中需要對尺寸大小有精準(zhǔn)的把握,需要建立在不同空間與使用模式之下,從安全、高效、舒適的基準(zhǔn)出發(fā)。人們在室內(nèi)活動區(qū)域大小就是動作范圍,使用各種測量計算方式測定的人體動作范圍屬于人體工程學(xué)研究的一項基礎(chǔ)數(shù)據(jù),而動作范圍指的是人在運(yùn)動狀態(tài)下需要的活動空間,動態(tài)尺度與活動情景等與人體尺度有密切關(guān)聯(lián)。

3.人們心理范圍

人們對空間的滿意程度,絕大程度上來源于心理空間。空間對人的心理影響程度很大,人的心理空間會隨著人移動,同時還具有伸縮性。環(huán)境自身對人的心理會造成巨大影響,人長期在低矮、狹小、昏暗的空間中生活,會使得人心理產(chǎn)生負(fù)面情緒,外在表現(xiàn)便是壓抑、燥慮、精神難以集中等等。

人體工程學(xué)應(yīng)用在室內(nèi)設(shè)計

1.室內(nèi)光環(huán)境設(shè)計

人們從外部環(huán)境中所接受的信息中,超過80%來自光引發(fā)的視覺體驗(yàn)。所以打造一個舒適的光環(huán)境,是室內(nèi)設(shè)計中的一項重要研究課題。室內(nèi)采光主要分成了自然光與人造燈光。自然光不但對人們的視覺健康有更多的有利因素,而且人們可以從窗戶向外看到室外的風(fēng)光,而且自然光的采集有助于能源的節(jié)約。自然光采集的主要部件是窗戶,窗戶分成了天窗和側(cè)窗,一般人們多見的天窗包括矩形天窗、水平天窗、鋸齒形天窗和下沉式天窗集中。側(cè)窗的窗型外形越寬,所獲視野越廣闊,越高光照的深度越大。一般在室內(nèi)設(shè)計建設(shè)過程中出現(xiàn)較多的側(cè)窗類型為落地窗和高臺窗。落地窗可獲得廣闊的視野,能夠和室外建立密切的聯(lián)系,高臺窗能夠減少眩光的出現(xiàn)概率,同時可以給人帶來一定安定感與私密感。具體的窗型設(shè)計需依照室內(nèi)環(huán)境的具體表現(xiàn)特點(diǎn)確定。

人造燈光的設(shè)計就是使用各種人造光源特點(diǎn),使用燈具造型設(shè)計與分布設(shè)計,營造一種特定的人工光環(huán)境。照明程度是判定室內(nèi)光環(huán)境的一項重要標(biāo)準(zhǔn)。室內(nèi)照明設(shè)計過程中的照度分布需要和人體工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng),例如工作范圍內(nèi),照明的均勻度需要保證在0.7lx以上;非工作區(qū)的照度相比工作區(qū)的照度要低一些。與此同時,室內(nèi)的光照環(huán)境還需要確保有合適的亮度分布,一般被觀察物體的亮度如果是鄰近環(huán)境的三倍,會獲得較好的視覺程度。

2.室內(nèi)色彩設(shè)計

室內(nèi)色彩的利用需要有助于讓人們保持穩(wěn)定的生活與工作情緒,同時滿足空間內(nèi)的各項使用功能要求,此項要求屬于室內(nèi)色彩設(shè)計的一般人機(jī)學(xué)要求。例如辦公空間與居室色彩的利用會對人們的生活造成直接影響,例如使用純度較低的灰色系能夠給人舒適、安靜的感覺。但是快餐店需要給人一種歡快、活潑的室內(nèi)感覺,因此多用亮黃和紅色,例如肯德基、麥當(dāng)勞等。

使用不一樣的色彩給人的心理感受都是不一樣的,同時也會對人的身體健康產(chǎn)生不同影響。像是粉紅色會給人一種舒適溫柔的感覺,可是長時間在粉紅色的環(huán)境中生活的話,會降低人的視力、聽力,加快脈搏的跳動,所以居室設(shè)計過程中不宜大范圍的使用粉紅色。小空間使用白色會讓人產(chǎn)生一種視覺寬敞感,可是孤獨(dú)癥患者與抑郁癥患者不適宜長期在白色環(huán)境中生活。

3.室內(nèi)聲音環(huán)境設(shè)計

室內(nèi)聲音環(huán)境的設(shè)計,最主要的一項內(nèi)容便是避免噪聲的干擾,避免噪聲的方法有很多,例如可以使用有隔音消聲作用的樓板、門窗等,或者使用吸聲板當(dāng)成室內(nèi)的墻面設(shè)計,除了這些常規(guī)方法,不一樣的室內(nèi)環(huán)境,對聲音環(huán)境的要求也大不相同,例如在教室和演講廳等室內(nèi),需要保證各個方位都有較好的語音清晰度;而在歌劇院、音樂廳等室內(nèi)則要求能夠得到優(yōu)美動聽的音質(zhì)。這就需要聲環(huán)境將室內(nèi)空間的容積、室內(nèi)房間的形體與室內(nèi)席位數(shù)目等一同納入考慮范圍,依照他不同的室內(nèi)空間功能要求,選擇合適的處理方法,并且盡可能的將回聲、聲影與聲聚焦的聲音缺陷避免。

4人體工程學(xué)為家具設(shè)計提供的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)

人體的結(jié)構(gòu)大小、人體的功能大小屬于室內(nèi)設(shè)計中的一項基礎(chǔ)化參數(shù)與參照,也是滿足使用功能的本質(zhì)性要求。其直接決定了家具原始的表現(xiàn)形態(tài)、組合方式與室內(nèi)空間大小等。同樣的,在生理學(xué)方面的各項研究也為確保使用者的身心健康提供了必要的參數(shù)與制度指導(dǎo)。

人體工程學(xué)直接從家具和人、家具和物品之間的關(guān)系程度做衡量,但是把家具分成人體系類、準(zhǔn)人體系類、建筑系類、能量系數(shù)類和裝飾系類等等。這種區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)不但在于重視家具和人、家具和物品的緊密程度,而且對設(shè)計程度也有較高的重視。

人體工程學(xué)將人們的工作、生活與學(xué)習(xí)行為分解成了各種不同的生活表現(xiàn)狀態(tài),而分列出了單獨(dú)的一類生活系類,再比如對生活系類細(xì)化,可以得出生活系類中的各種表現(xiàn)形式,舉個例子,依照人的各種姿勢的不同表現(xiàn)性質(zhì)、空間大小、眼高位置等,將人的各種姿勢分別表示成立位姿勢、坐位姿勢、蹲靠位姿勢和臥位姿勢四種類型,依照姿勢的各種不同形式可以為家具設(shè)計提供不同的科學(xué)參照標(biāo)準(zhǔn)。

1.家具設(shè)計基準(zhǔn)點(diǎn)的確定

對基準(zhǔn)點(diǎn)與基準(zhǔn)面做正確選擇屬于家具設(shè)計中的前提與基礎(chǔ)。人體工程學(xué)認(rèn)為家具設(shè)計需要將坐位、立位等各種不同的基準(zhǔn)點(diǎn)加入考慮范圍,像是坐位使用的家具和桌椅等等需要使用坐位當(dāng)成基準(zhǔn)點(diǎn)。這主要是因?yàn)槿藗兲幱谧粫r,眼高的位置、肘部的位置等都必須從坐骨結(jié)節(jié)位置開始計算才可以將其當(dāng)成是設(shè)計的零點(diǎn)標(biāo)高,但是不可以用無關(guān)的腳底位置當(dāng)成參照標(biāo)準(zhǔn)。在桌面高度確定的過程中,也只可以把桌面到座骨結(jié)節(jié)點(diǎn)的距離當(dāng)成衡量標(biāo)準(zhǔn),而不能夠是桌面到地面的整個高度。

2.明確家居設(shè)計的優(yōu)化執(zhí)行性能

例如人體工程學(xué)專家在對人睡眼狀態(tài)做肌電圖、腦電波、體壓分布、出汗、睡姿等各個軀體狀態(tài)做測量后,表示人們在睡眠的狀態(tài)下,體感的舒適程度受制于人體壓力分布,但是合理的壓力分布又必須是人體感覺敏感程度承受壓力小,人體感覺遲鈍部位承受壓力大。由此可以得出,軟床墊的各個部位需要分配不同的彈力要求,這樣也就改正了過去軟床墊各個部位彈力一致的誤區(qū),確定了最優(yōu)化床功能設(shè)計。

3.確定家具的最佳設(shè)計尺寸

人體工程學(xué)測量了各種有關(guān)人體各部位的尺寸,人體的肢體活動范圍和人在接觸某些家具的時候,體壓的分布,肌肉、神經(jīng)、血液與呼吸的反映情況等都不一樣,從各個層面確定科學(xué)數(shù)據(jù),以確定家具設(shè)計的最優(yōu)尺寸。像是單人床寬度確定的時候,有研究報道顯示窗寬50厘米時因?yàn)榇舱虼朔泶螖?shù)減少,減少次數(shù)大約比90厘米寬的床少30%,降低睡眠質(zhì)量,但是窗寬在70厘米至130厘米間時,差別不大。由此可知,單人床寬度的最低標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是70厘米,最好的寬度大小應(yīng)該是90厘米。

篇2

關(guān)鍵詞:家用手電鉆 設(shè)計創(chuàng)新 人因工程價值 行為記錄與分析方法 易用性評估

中國分類號:TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1003-0069(2015)06-0024-04

1 家用手電鉆的設(shè)計簡述

手電鉆是一種便攜式小型鉆孔工具,隨著個性化、DIY在家庭裝飾、裝修中的興起,手電鉆成為了家中必備工具之一。許多女性、青少年、中老年用戶也成為了手電鉆的使用群體,使用現(xiàn)有的手電鉆產(chǎn)品進(jìn)行工作時,經(jīng)常要求佩戴膠皮手套、防塵眼鏡、膠布鞋等裝備;在操作過程中需要注意鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向和進(jìn)給方向;加工結(jié)束后不要立即接觸鉆頭,以免燙傷皮膚;對操作中產(chǎn)生的灰塵和雜屑需及時清理,避免進(jìn)入人眼或呼吸道妨礙工作。此外,因操作不當(dāng)、防范措施疏漏、缺乏使用經(jīng)驗(yàn)經(jīng)常會對使用者造成誤傷,導(dǎo)致工作失敗。為了避免此類問題繼續(xù)發(fā)生,我們的設(shè)計團(tuán)隊利用人因工程學(xué)的理論和研究方法設(shè)計開發(fā)出一種新型的家用手電鉆。圖1為家用手電鉆與普通手電鉆的對比圖。

家用手電鉆的設(shè)計特點(diǎn)如下:第一,鉆頭前面有一個塑料透明罩,可以將作業(yè)過程中產(chǎn)生的雜屑和粉塵收納在罩內(nèi),隨時倒出清理,防止灰塵、粉末進(jìn)入人眼中或吸入口鼻中,無需再佩戴防護(hù)裝備;為了更好地增加操作穩(wěn)定性,防止灰塵外溢,在透明罩前端的鉆頭出入口處添加了一圈橡膠墊;第二,塑料透明罩的正面與操作面貼合,使鉆頭和操作面形成90。垂直夾角,可以增加操作的穩(wěn)定性和打孔的精準(zhǔn)度,防止錯誤操作造成打孔失誤;第三,電鉆頂面的控制按鈕可調(diào)節(jié)鉆頭的使用方式,電鉆既可以去掉透明罩作為普通電鉆使用,也可以加上透明罩,通過鉆頭伸縮來使用;第四,電鉆可以向打孔面投射打孔基準(zhǔn)點(diǎn),這樣更容易進(jìn)行定位打孔和陣列打孔;第五,在塑料透明罩上設(shè)有標(biāo)尺,可以輔助測量打孔深度。具體的設(shè)計效果圖如圖2所示。

2 家用手電鉆的人因工程實(shí)驗(yàn)

由于這次人因工程的實(shí)驗(yàn)研究對象為手電鉆,需要研究人的因素主要包括:人體上肢、手部、眼睛視閩等;需要研究機(jī)器的因素主要包括:功能、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、色彩、材質(zhì)、細(xì)節(jié)等;需要研究環(huán)境的因素主要包括:家庭環(huán)境。

人因工程實(shí)驗(yàn)的步驟:第一步,設(shè)定測試的內(nèi)容,提出試驗(yàn)計劃。第二步,邀請三組不同年齡段的使用者,分別為13―25周歲的青少年10名(男女各一半),25―50周歲的成年人10名(男女各一半),50周歲以上的中老年人10名(男女各一半)。第三步,建立實(shí)驗(yàn)所需模擬場景。第四步,安排實(shí)驗(yàn)所需記錄人員,布置實(shí)驗(yàn)記錄儀器。第五步,準(zhǔn)備家用手電鉆的樣機(jī)模型。第六步,使用者依次按照自己的習(xí)慣在指定時間內(nèi)完成幾個指定的操作動作,記錄人員依次進(jìn)行記錄。第七步,使用者填寫實(shí)驗(yàn)調(diào)研問卷,匯總實(shí)驗(yàn)結(jié)果并制作數(shù)據(jù)表和圖表。笫八步,得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論,對家用手電鉆的樣機(jī)模型進(jìn)行評估。

2.1 家用手電鉆的把手測試

在實(shí)驗(yàn)之前,實(shí)驗(yàn)人員需對使用者的手部進(jìn)行了多組尺寸測量,如圖表1所示。如圖3所示,在持握狀態(tài)下,對手指的最大圍合面積進(jìn)行測量,從中得到最舒適的圍合面積范圍。由于電鉆把手在使用時與人頻繁接觸,在設(shè)計時采用曲線形態(tài),通過由粗到細(xì)的變化和形態(tài)的轉(zhuǎn)折,限制了人手在持握電鉆把手時的范圍。為了確保把手的舒適度,在實(shí)驗(yàn)過程中,利用3D打印機(jī)打印一個電鉆把手中心橫截面,并安排多名使用者進(jìn)行持握測試,從中發(fā)現(xiàn)問題,進(jìn)而調(diào)整把手的面積,再次打印并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),使電鉆更易于持握和使用,如圖4所示。

在手持電鉆操作時,手掌因持握工具將產(chǎn)生一定的作用力和反作用力。由于使用手電鉆會產(chǎn)生震動,考慮到手掌的生理因素,需要對進(jìn)行受力分析,如圖5所示。針對長期使用工具容易造成損傷的手掌區(qū)域,需要避免持續(xù)、高強(qiáng)度受力。對手掌最佳持握姿態(tài)、手腕最佳持握角度、手指最大力度和活動范圍等依次進(jìn)行測驗(yàn),通過把手形態(tài)設(shè)計、功能按鈕位置設(shè)計最大限度地減少使用產(chǎn)品時產(chǎn)生的疲勞,并且更高效地完成操作任務(wù)。

2.2 家用手電鉆的定位打孔功能測驗(yàn)

為了測驗(yàn)家用手電鉆的各項功能是否合理、有效,我們利用3D打印設(shè)備制作了等比例的家用手電鉆樣機(jī)模型,如圖6所示,并對使用者的操作情況加以記錄。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)對人眼觀察范圍的記錄,人眼以中心視線為基準(zhǔn),向上、向下各30。的夾角范圍為最佳觀察視域區(qū),如圖7所示,其中,以中心視線位置為最佳觀測點(diǎn),并向兩側(cè)削減。當(dāng)正常的被測試者使用家用手電鉆時,電鉆發(fā)射的坐標(biāo)射線、電鉆透明罩上的觀測打孔深度刻度表、鉆頭位置等需要實(shí)時觀察的部位均在最佳觀察視域之內(nèi),并靠近中心視線周圍,坐標(biāo)射線和打孔深度指示標(biāo)的顏色均為紅色,清晰、醒目方便觀測。

經(jīng)過在不同情況下使用家用手電鉆進(jìn)行打孔的實(shí)際測試,證實(shí)了電鉆的坐標(biāo)射線、打孔深度刻度表這些設(shè)計在電鉆前端透明護(hù)罩上的輔助功能確實(shí)能夠?qū)Υ蚩灼鸬筋A(yù)想的作用,便于使用者觀察,提高打孔效率。

2.3 家用手電鉆的打孔精度實(shí)驗(yàn)

通過試驗(yàn)記錄圖片資料可以了解以上幾種操作情況下人體的受力區(qū)域主要集中在上肢,其中小臂和手掌受力最多,直接參與不同姿態(tài)的操作。經(jīng)圖8分析,當(dāng)操作手電鉆的手掌用力方向與鉆頭方向平行時,操作打孔準(zhǔn)確度最佳,而且最省力。為了確保操作手電鉆的手掌用力方向與鉆頭方向保持平行姿態(tài),電鉆透明罩的前接觸面設(shè)計為平面。

經(jīng)實(shí)驗(yàn),電鉆透明罩的前接觸面為平面,與操作面貼合,使鉆頭和打孔面成90。夾角,使操作手電鉆的手掌用力方向與鉆頭方向在使用過程中保持平行姿態(tài),這樣的設(shè)計可以有效提高打孔準(zhǔn)確度。

2.4 家用手電鉆的用戶主觀因素調(diào)研

當(dāng)受試者使用電鉆實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,需填寫調(diào)查問卷,問卷可以研究使用者對電鉆的整體感受。例如“問題1、電鉆的鉆孔控制按鈕給你的感受是:A.更加舒適便于操作B.與以往產(chǎn)品并無區(qū)別C.不舒適不符合操作需求”;“問題3、電鉆的調(diào)節(jié)按鈕位于電鉆的正上方中間位置,是否符合操作需求:A便于操作B.不便于操作C.建議設(shè)置在其他位置,如_____”;“問題6、電鉆的整體造型圓滑、過渡均勻,給你的感受是:A.具有親和力,容易被接受B.外形美觀,作為購買的因素之一C.更喜歡棱角分明的產(chǎn)品D.只注重使用性和價格”;“問題8、在使用電鉆是你需要在哪些部位加入如橡膠類軟質(zhì)有彈性的材質(zhì),以增加使用舒適度:A.把手內(nèi)側(cè)B.把手外側(cè)C.按鈕D.透明罩下部E.不需要”。

根據(jù)用戶的選擇,匯總問卷問題,以數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn),再綜合評價每一個題目得分最高的選項是否與電鉆的各項設(shè)計相符,假如用戶對電鉆的某一方面存在異議,則需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,以此作為深化設(shè)計的重要參考,如圖9所示。如對問題3匯總30份調(diào)查問卷,得到結(jié)論:有25人選擇A選項(便于操作);有3人選擇B選項(不便于操作);由2人選擇C選項(建議設(shè)置在其他位置),其中―人認(rèn)為調(diào)節(jié)按鈕位置應(yīng)更靠近把手的位置,可以延中心線向后移;另―人認(rèn)為調(diào)節(jié)按鈕的位置可以設(shè)置在電鉆一側(cè)。通過對這一問題的調(diào)研確定了調(diào)節(jié)按鈕符合83.3%受試者的使用需求,并且還發(fā)現(xiàn)了新的設(shè)計可能性。

3 家用手電鉆的人因工程價值評估

該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了家用手電鉆的設(shè)計創(chuàng)新確實(shí)能夠改善現(xiàn)有手電鉆的使用問題,增加操作安全性,提高工作效率。同時,家用手電鉆的研發(fā)具有更深層次的價值和效應(yīng),可以分為以下幾個方面評估。

3.1 設(shè)計創(chuàng)新的引導(dǎo)作作

家用手電鉆的可伸縮鉆頭以及電鉆前面的支撐面創(chuàng)造性地解決了電鉆打孔失誤問題,符合人因工程學(xué)對產(chǎn)品的基本要求,并解決了粉塵、雜屑的收納問題。隨著手電鉆內(nèi)部結(jié)構(gòu)的革新,家用手電鉆的概念將轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)產(chǎn)品,并作為經(jīng)典案例對電鉆產(chǎn)品的研發(fā)起到啟發(fā)和引導(dǎo)的作用。同時,家用手電鉆的優(yōu)勢還在于將多種實(shí)用進(jìn)行整合式設(shè)計,對于設(shè)計者而言,這是進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)新的有效途徑;對于使用者而言,這無疑提供了更多便利,給人更多的關(guān)懷:在同類產(chǎn)品中,是更有競爭力的選擇。

3.2 使用方式的規(guī)范作用

家用手電鉆的設(shè)計力圖為使用者提供一種正確地、安全的使用方式,經(jīng)人因工程實(shí)驗(yàn),可以減少操作失誤和對人產(chǎn)生的傷害。同時,通過設(shè)計透明塑料護(hù)罩在操作方式上引導(dǎo)使用者更準(zhǔn)確、安全、舒適地進(jìn)行作業(yè),將以前需要一定使用經(jīng)驗(yàn)才能順利進(jìn)行的工作簡單化,為更多需要做此類工作且無操作經(jīng)驗(yàn)的人提供便利條件。對于青少年用戶,家用手電鉆可以發(fā)揮鼓勵使用、鍛煉動手能力、發(fā)展創(chuàng)造力的積極作用,消除手電鉆產(chǎn)品的不安全隱患,將以往的被動式使用電鉆轉(zhuǎn)變成積極、輕松地主動式使用。

3.3 使用環(huán)境的優(yōu)化作用

家用手電鉆設(shè)計更好地優(yōu)化了使用環(huán)境,為使用者提供一個干凈、整潔的操作環(huán)境。避免了因局部施工使用電鉆工具而影響家庭環(huán)境的整潔和衛(wèi)生,或?qū)σ恍┘彝ピO(shè)施造成不易清理的困難。同時,通過電鉆本身解決的灰塵、雜屑四溢的困擾,可以省去佩戴防塵眼鏡、防護(hù)口罩、橡膠手套等繁瑣的程序,更符合家庭環(huán)境下使用電鉆的需求。

篇3

(河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院,河南平頂山467000)

摘要:簡述了國內(nèi)外轉(zhuǎn)基因食品作物的研究和發(fā)展現(xiàn)狀,并分析了轉(zhuǎn)基因食品作物存在的優(yōu)點(diǎn)和劣勢,使人們對轉(zhuǎn)基因食品有初步的了解。由于轉(zhuǎn)基因技術(shù)存在一定的風(fēng)險性,文章指出不僅要對轉(zhuǎn)基因食品進(jìn)行分子水平和蛋白質(zhì)水平的檢測,而且要依據(jù)“實(shí)質(zhì)等同”等原則,從營養(yǎng)學(xué)、毒理學(xué)和過敏性等方面對其進(jìn)行嚴(yán)格的食用安全性評價,由此才能給消費(fèi)者帶來合格放心的轉(zhuǎn)基因食品。同時嚴(yán)格的評估和監(jiān)控也能促進(jìn)中國轉(zhuǎn)基因技術(shù)和轉(zhuǎn)基因食品的健康快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞 :轉(zhuǎn)基因技術(shù);轉(zhuǎn)基因食品;檢測方法;安全性評價

中圖分類號:TS201.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 論文編號:2014-0570

作者簡介:孟書燕,女,1986 年出生,河南人,助教,碩士,從事食品微生物學(xué)研究。通信地址:467000 河南省平頂山市湛河區(qū)姚電大道中段河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院科研樓,Tel:0375-3397027,E-mail:symeng2010@126.com。

收稿日期:2014-06-09,修回日期:2014-09-28。

Research Status of Genetically Modified Food and Its Safety Assessment

Meng Shuyan(Henan Quality Polytechnic, Pingdingshan 467000, Henan, China)Abstract: With the development of transgenic technology, there had been a growing number of geneticallymodified (GM) crops and foods. This review had summarized the present research and development ofgenetically modified crops, and also analyzed the advantages and disadvantages of the GM crops, so thatpeople would have a preliminary understanding on the GM crops. However, transgenic technology had certainrisks, and therefore it’s very important for GM foods to be detected on molecular and protein levels. Based on“substantial equivalence”principles, the GM food safety assessment should be conducted from nutrition,toxicology, allergy aspects and so on, which would bring qualified and assured GM foods to the consumer.Furthermore, the rigorous assessment and monitoring could also promote our transgenic technology and GMfoods to develop more rapidly and healthily.

Key words: Transgenic Technology; Genetically Modified Foods; Detection; Safety Assessment

0 引言

轉(zhuǎn)基因技術(shù)的出現(xiàn)是生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域共同發(fā)展的結(jié)果。通過現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù),將某些生物(包括動物、植物和微生物)的基因轉(zhuǎn)移到其他物種中去,從而改造現(xiàn)有生物的遺傳物質(zhì),使其朝向人們所需要的方向而轉(zhuǎn)變,這種技術(shù)就是轉(zhuǎn)基因技術(shù)。而轉(zhuǎn)基因食品(genetically modified foods,GMF)就是在轉(zhuǎn)基因技術(shù)的基礎(chǔ)上以轉(zhuǎn)基因生物原材料加工制成的[1]。依據(jù)原材料的不同,轉(zhuǎn)基因食品可劃分為轉(zhuǎn)基因植物食品、轉(zhuǎn)基因動物食品和轉(zhuǎn)基因微生物食品3 類。但由于技術(shù)所限,目前轉(zhuǎn)基因植物食品的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他2 類食品。自從世界上第1 例轉(zhuǎn)基因植物在美國成功培育后,越來越多的轉(zhuǎn)基因作物種類被用于科學(xué)研究和生產(chǎn)中,但是轉(zhuǎn)基因食品的安全性以及會對人體和環(huán)境產(chǎn)生何種影響卻引起了各界人士的廣泛爭論。為此筆者將對轉(zhuǎn)基因食品的發(fā)展歷史以及檢測方法和安全性評價等方面進(jìn)行論述。

1 轉(zhuǎn)基因食品作物的研究現(xiàn)狀

1.1 國際轉(zhuǎn)基因食品作物的研究現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)基因作物的研究起始于20 世紀(jì)70 年代末80 年代初。1983 年,全球首例轉(zhuǎn)基因煙草在美國誕生;1986 年,世界上首批轉(zhuǎn)基因棉花進(jìn)入田間試驗(yàn);1994年,美國Calgene 公司研發(fā)的可延緩成熟的轉(zhuǎn)基因番茄首次被批準(zhǔn)進(jìn)入商品化生產(chǎn)[2]。之后許多國家都開始對轉(zhuǎn)基因作物展開研究,近年來全世界轉(zhuǎn)基因作物研究已經(jīng)有了迅猛發(fā)展。

從1994年至今,全世界共計36 個國家和地區(qū)批準(zhǔn)轉(zhuǎn)基因作物用于食物、飼料、環(huán)境釋放或種植,涉及到的轉(zhuǎn)基因作物有27 種,主要有大豆、玉米、油菜、棉花、木瓜、馬鈴薯、南瓜及西紅柿等。全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積也由1996 年的0.017 億hm2 增長到2013 年的1.752 億hm2,15 年間增長約103 倍。種植轉(zhuǎn)基因作物的國家也從6 個增加到27 個,其中19 個為發(fā)展中國家、8 個為發(fā)達(dá)國家[3]。轉(zhuǎn)基因作物的種植面積居于世界前五位的國家分別是美國、巴西、阿根廷、加拿大和印度,轉(zhuǎn)基因作物種類根據(jù)種植面積多少排序?yàn)榇蠖埂⒂衩住⒚藁ā⒂筒撕婉R鈴薯[4]。在轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化的十幾年間,其種植面積擴(kuò)大了約百倍,使轉(zhuǎn)基因作物成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)史上采用最為迅速的生物技術(shù),產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益。

1.2 國內(nèi)轉(zhuǎn)基因食品作物的研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)80 年代中期,中國開始進(jìn)行轉(zhuǎn)基因作物研究。經(jīng)過20 多年的積累和發(fā)展,中國的轉(zhuǎn)基因作物研究取得了大量的新成果,開發(fā)出包括具有抗蟲、抗病、抗逆、抗除草劑、耐旱、氮磷肥高效利用、產(chǎn)量提高、品質(zhì)改良等性狀的多種轉(zhuǎn)基因作物。中國也是世界上繼美國之后,第2 個自主研發(fā)出抗蟲棉的國家[5]。至今,中國已育成多種農(nóng)作物的重要轉(zhuǎn)基因品種,獲得多種新品系、新品種,這為加快中國轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)造了有利條件。

截至2013 年,中國轉(zhuǎn)基因作物的種植面積排在世界第6 位。正在進(jìn)行研究與開發(fā)的轉(zhuǎn)基因作物約有47種,通過相關(guān)部門批準(zhǔn),進(jìn)行大田試驗(yàn)的達(dá)13 種,包括棉花、水稻、玉米、大豆、小麥、煙草、馬鈴薯、番茄、甜椒、番木瓜等[6]。其中,轉(zhuǎn)基因棉花和番木瓜已被批準(zhǔn)進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn);轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米,以轉(zhuǎn)基因水稻恢復(fù)系‘華恢1 號’為代表的轉(zhuǎn)基因水稻新品種及其衍生材料[7],耐貯藏番茄、抗病辣椒和改變花色矮牽牛,都已完成安全性評價的各階段,也已經(jīng)獲得轉(zhuǎn)基因生物安全證書。隨著轉(zhuǎn)基因農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展,中國可能會有更多的轉(zhuǎn)基因作物被批準(zhǔn)進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段。

2 轉(zhuǎn)基因食品作物的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 轉(zhuǎn)基因食品作物的優(yōu)點(diǎn)

①轉(zhuǎn)基因作物生長速度快,產(chǎn)量高。這種特性可為人類提供更多的糧食產(chǎn)量。由于世界人口持續(xù)增長,單純利用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)已不能充分滿足世界市場對食品的需求,而轉(zhuǎn)基因技術(shù)可保障并促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,是有效解決世界溫飽問題的途徑之一。②轉(zhuǎn)基因作物的生產(chǎn)成本低。通過轉(zhuǎn)基因技術(shù),可使傳統(tǒng)農(nóng)作物具有抗旱、抗?jié)场⒖瓜x、抗除草劑等特性,使其可在多種氣候條件下生長,并能減少化學(xué)農(nóng)藥和除草劑的使用,從而降低種植成本,提高食品質(zhì)量[8]。③轉(zhuǎn)基因作物的營養(yǎng)成分更高,口感更好。轉(zhuǎn)基因作物與傳統(tǒng)的農(nóng)作物相比含有更多的礦物質(zhì)和維生素,對人類的健康有利,同時還有助于抵抗疾病[9]。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù),根據(jù)人類的需求培養(yǎng)農(nóng)作物,使其生長更有針對性,能更好地滿足人類需要。

2.2 轉(zhuǎn)基因食品作物的缺點(diǎn)

①轉(zhuǎn)基因作物對人類健康的不利影響。和轉(zhuǎn)基因食品相聯(lián)系的健康風(fēng)險主要有毒素、過敏原和遺傳風(fēng)險。轉(zhuǎn)入基因的表達(dá)和其表達(dá)的新蛋白可能會被整合從而產(chǎn)生不可預(yù)料的過敏反應(yīng)。例如經(jīng)過基因修飾增加了半胱氨酸和蛋氨酸含量的大豆作物之所以被取消,就是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)其表達(dá)的轉(zhuǎn)基因蛋白具有高度致敏性[10]。②轉(zhuǎn)基因作物會降低食物的營養(yǎng)價值,破壞食物的營養(yǎng)成分。轉(zhuǎn)基因作物為了滿足人類需求,插入外源基因到植物基因組中,外源基因隨機(jī)整合到宿主基因組中后,可能會引起基因缺失、錯碼等突變,從而使其表達(dá)的蛋白質(zhì)產(chǎn)物的性狀、數(shù)量及部位與期望值不符,因此會對食物營養(yǎng)成分有所破壞,降低轉(zhuǎn)基因食品的積極效果[11]。③轉(zhuǎn)基因作物會造成環(huán)境污染,破壞生態(tài)環(huán)境。轉(zhuǎn)基因作物在自然界大量種植,其具有的抗蟲和抗除草劑特性可通過基因漂移進(jìn)入野生植物品種,創(chuàng)造出難以根除的“超級種子”,這會造成基因污染,影響生物多樣性的保護(hù)和可持續(xù)利用[12]。這種污染對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成的危害比其他任何因素都難以消除。

3 轉(zhuǎn)基因食品的檢測方法

轉(zhuǎn)基因食品的檢測方法目前主要有對外源基因的檢測和對外源蛋白質(zhì)的檢測2 類。

3.1 對外源基因的檢測方法

主要有聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)法和基因芯片法。這2 種檢測方法都以轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品所導(dǎo)入的外源基因的通用調(diào)控元件或基因作為擴(kuò)增的靶序列,通過對這些通用元件和基因的鑒定完成轉(zhuǎn)基因作物的篩查。常用的調(diào)控元件有CaMV35s 啟動子/終止子,T-nos 終止子,常見的通用基因包括bla、hpt、npt II 等標(biāo)記基因和報告基因。

基于PCR 的檢測技術(shù)分為定性PCR 和定量PCR檢測技術(shù)。普通PCR 技術(shù)通過設(shè)計針對不同目標(biāo)DNA的特異性引物,經(jīng)過PCR擴(kuò)增和瓊脂糖凝膠電泳檢測目標(biāo)DNA,能實(shí)現(xiàn)對不同轉(zhuǎn)基因DNA成分的初步鑒定。巢式和半巢式PCR技術(shù)對同一模板使用2 對引物,經(jīng)過2 次擴(kuò)增,提高鑒定的特異性和靈敏性,在轉(zhuǎn)基因食品檢測中也廣泛應(yīng)用[13]。

而實(shí)時定量PCR技術(shù)(real-time PCR)是目前定量PCR技術(shù)中最為常用的一種,該反應(yīng)體系除特異性引物外,還含有靶序列特異性熒光探針。利用該技術(shù)可將轉(zhuǎn)基因成分的檢測限值提高到20~30個拷貝[14]。基因芯片技術(shù)能同時對成千上萬的靶模板進(jìn)行分析,具有高通量、高靈敏性和集成化的優(yōu)點(diǎn),已被應(yīng)用到轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的檢測中。Zhou 等[15]報道利用芯片技術(shù),成功檢測了大豆、玉米、油菜籽和水稻的目標(biāo)序列,其中轉(zhuǎn)基因大豆的最低檢出限為0.5%。

3.2 對外源蛋白質(zhì)的檢測方法

主要有ELISA 和Western 印跡法(Western Blot)。ELISA 分析法特異性高,獲得結(jié)果快,儀器操作簡單,能使測定達(dá)到很高的靈敏性和穩(wěn)定性。美國FDA已用雙夾心ELISA 法檢測食品中是否含有轉(zhuǎn)基因玉米成分。Western Blot 和ELISA法原理相同[16],但操作繁瑣、成本高。此外,還發(fā)展出試紙條法,以試紙條來代替ELISA 檢測方法中的酶標(biāo)板后出現(xiàn)了試紙條檢測技術(shù)。該方法操作簡單、迅速、成本低廉,適用于轉(zhuǎn)基因樣本的早期篩選[17]。

4 轉(zhuǎn)基因食品的安全性評價

轉(zhuǎn)基因食品的安全性評價既與中國人民的身體健康和環(huán)境安全密切相關(guān),同時也影響著中國農(nóng)業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)是否能夠可持續(xù)發(fā)展。加強(qiáng)對轉(zhuǎn)基因食品安全管理的核心和基礎(chǔ)就是安全性評價。

4.1 轉(zhuǎn)基因食品安全性評價原則

目前國際上公認(rèn)的對轉(zhuǎn)基因食品的安全性評價原則是以科學(xué)為基礎(chǔ),個案分析,實(shí)質(zhì)等同性和逐步完善相結(jié)合。遵循科學(xué)基礎(chǔ)的食品安全性評價會對轉(zhuǎn)基因食品技術(shù)的進(jìn)步和整個行業(yè)的發(fā)展發(fā)揮重要的促進(jìn)作用。而在長期實(shí)踐過程中累積起來的科學(xué)理論及技術(shù)已為轉(zhuǎn)基因食品的安全性評價奠定了較好的基礎(chǔ)。

由于轉(zhuǎn)基因食品研發(fā)時所采用的技術(shù)路線、供體、受體以及目的基因都各不相同,因此要對每一個個案制定有針對性的驗(yàn)證方案,進(jìn)行綜合考察以得出正確的評價結(jié)果。而個案分析原則就可在食品安全性評價時最大限度的發(fā)現(xiàn)安全隱患,進(jìn)而保證食品安全[18]。轉(zhuǎn)基因技術(shù)是一項新興的技術(shù),對轉(zhuǎn)基因食品采用傳統(tǒng)毒理學(xué)的食品安全評價方法已無法對其進(jìn)行正確的安全評價。1993 年,歐洲經(jīng)合組織(OECO)首次提出“實(shí)質(zhì)等同原則”(substantial equivalence)作為轉(zhuǎn)基因食品的安全性評價原則,即對轉(zhuǎn)基因食品各種主要營養(yǎng)成分、營養(yǎng)拮抗物質(zhì)、毒性物質(zhì)及過敏性成分等物質(zhì)的種類和含量進(jìn)行分析測定,若與相應(yīng)的傳統(tǒng)食品無差異,則認(rèn)為兩者具有實(shí)質(zhì)等同性,不存在安全性問題;若無實(shí)質(zhì)等同性,需逐條進(jìn)行安全性評價[19]。根據(jù)“實(shí)質(zhì)等同性”原則,對轉(zhuǎn)基因作物的表型和農(nóng)藝學(xué)性狀、成分、全面安全性、營養(yǎng)和飼料性等方面的等同性進(jìn)行綜合評價,證明其與傳統(tǒng)作物是否等同,是評價轉(zhuǎn)基因作物是否安全的一個有效途徑。

逐步原則指對轉(zhuǎn)基因作物的安全評價應(yīng)當(dāng)分階段分層次進(jìn)行,首先要分階段對轉(zhuǎn)基因食品管理進(jìn)行審批,其次對轉(zhuǎn)基因食品的安全性評價要分步驟進(jìn)行,逐步而深入地開展審批和評價工作。逐步原則提高了工作效率,盡可能在最短的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險[20]。

4.2 轉(zhuǎn)基因食品安全性評價程序

轉(zhuǎn)基因食品的安全性評價程序主要包括5 個方面:(1)插入基因安全性和其整合到宿主基因組中分子特性的研究[21];(2)分析親本(宿主)作物各種營養(yǎng)物質(zhì)和已知毒素含量的變化;(3)潛在致敏性的研究;(4)轉(zhuǎn)基因食品與人類或動物腸道中的微生物菌群發(fā)生基因轉(zhuǎn)移的可能性及其影響;(5)轉(zhuǎn)基因食品危害性的評估數(shù)據(jù),包括活體和離體的毒理和營養(yǎng)評價[22]。對這5 個方面的檢測主要是通過營養(yǎng)評價、毒理性分析、過敏性分析和抗生素標(biāo)記基因的研究和分析進(jìn)行的。能否通過安全性評估是轉(zhuǎn)基因食品能否被批準(zhǔn)商業(yè)化和進(jìn)入市場的前提,也是政府對轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品進(jìn)行管理的依據(jù)。

4.2.1 轉(zhuǎn)基因食品營養(yǎng)評價和毒理性分析轉(zhuǎn)基因食品的營養(yǎng)評價主要針對蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素、脂肪、氨基酸等與人類健康密切相關(guān)的物質(zhì),與傳統(tǒng)食品進(jìn)行比較,以確定其與傳統(tǒng)食品是否相同或相似。毒理性分析包括對轉(zhuǎn)基因食品中新表達(dá)物質(zhì)的分析和全食品分析。歐洲新食品領(lǐng)導(dǎo)小組建議轉(zhuǎn)基因毒理性分析評價項目包括毒物動力學(xué)和代謝試驗(yàn)、遺傳毒性、增殖性、致病性、嚙齒類動物90 天亞慢性喂養(yǎng)試驗(yàn)及其他毒性試驗(yàn)。

4.2.2 轉(zhuǎn)基因食品的過敏性分析食品過敏是人類食物史上歷史悠久的問題,過敏性分析可預(yù)防轉(zhuǎn)基因食品中引入新的過敏原,從而保護(hù)敏感人群。2001 年舉行的FAO/WHO會議上提出了目前國際上通用的轉(zhuǎn)基因食品過敏性評價策略[23]。該評價主要分為2 種情況:(1)轉(zhuǎn)基因食物中含有的外源基因來自于已知含有過敏原的生物,如果該序列與已知過敏原序列具有同源性,則表明食物是過敏原;否則還需要對過敏病人進(jìn)行血清學(xué)試驗(yàn)。(2)轉(zhuǎn)基因食物中的外源基因來自未知含有過敏原的生物,則應(yīng)考慮對過敏患者的血清做交叉反應(yīng),進(jìn)行胃腸道模擬消化試驗(yàn)以及動物模型試驗(yàn)[24]。Zhou 等[25]研究發(fā)現(xiàn)BN大鼠會對重組后的人乳鐵蛋白產(chǎn)生較弱的過敏反應(yīng)。

4.2.3 轉(zhuǎn)基因食品的抗生素標(biāo)記基因研究抗生素標(biāo)記基因是目前轉(zhuǎn)基因作物常用的選擇標(biāo)記基因,常見的抗性基因有抗卡那霉素、抗潮霉素、抗新霉素等基因。由于抗生素對人類的疾病治療具有關(guān)鍵的作用,因此對轉(zhuǎn)基因食品抗生素標(biāo)記基因的安全性評價意義重大。2004 年進(jìn)行的一項人類志愿者服用轉(zhuǎn)基因大豆的試驗(yàn)結(jié)果表明,目的基因和抗生素標(biāo)記基因并未從食物轉(zhuǎn)移到人類腸道微生物菌群和胃腸道消化系統(tǒng)中[26]。這說明轉(zhuǎn)基因發(fā)生水平轉(zhuǎn)移的概率很小,但在評估潛在的健康風(fēng)險時,還需考慮抗生素在人體和動物中的使用情況以及胃腸道微生物對抗生素的抗性。

5 展望和總結(jié)

當(dāng)今人類社會面臨人口膨脹、資源匱乏和環(huán)境惡化3 個難題,而發(fā)展轉(zhuǎn)基因食品有助于緩解這3 個問題。轉(zhuǎn)基因作物通過改良自身的遺傳性狀,可以帶來巨大的潛在經(jīng)濟(jì)和社會效益。雖然轉(zhuǎn)基因作物也面臨著一些問題和挑戰(zhàn),如轉(zhuǎn)基因作物的政策制定和調(diào)控,以及轉(zhuǎn)基因食品標(biāo)簽制度等[27],但是轉(zhuǎn)基因技術(shù)作為未來農(nóng)業(yè)生物技術(shù)發(fā)展的必然趨勢,這項技術(shù)具有廣闊的前景和價值。而中國作為一個人多地少的發(fā)展中大國,開展轉(zhuǎn)基因食品作物的研究勢必會對經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境的發(fā)展起到重要作用。

將來轉(zhuǎn)基因食品的應(yīng)用會有很多方面,包括藥用食品、能合成乙肝疫苗的香蕉[28]、成熟周期更短的基因工程魚[29]以及結(jié)果更早的果樹[30]等。雖然以上轉(zhuǎn)基因食品的商業(yè)化價值還有待檢驗(yàn),但科學(xué)家們已經(jīng)預(yù)測轉(zhuǎn)基因食品在未來幾十年間將會以指數(shù)形式增長。轉(zhuǎn)基因技術(shù)和轉(zhuǎn)基因食品作為一項新興的科學(xué)技術(shù)成果,其發(fā)展歷程只有30 多年,因此它們對于人類健康影響風(fēng)險的數(shù)據(jù)還不充分,大部分轉(zhuǎn)基因食品和親本作物之間仍被認(rèn)為達(dá)不到實(shí)質(zhì)等同性的標(biāo)準(zhǔn)[31]。但科學(xué)研究總是在探索中前行,正因?yàn)樯鐣蟊妼D(zhuǎn)基因食品爭議不斷,因此既需要建立嚴(yán)格健全的轉(zhuǎn)基因食品審查制度,也需要更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ê蜆?biāo)準(zhǔn)來研究轉(zhuǎn)基因作物和傳統(tǒng)作物在結(jié)構(gòu)學(xué)、營養(yǎng)學(xué)、毒物學(xué)和代謝上的差別,探索遺傳技術(shù)用于轉(zhuǎn)基因作物上的安全性,從而打消公眾認(rèn)知和情感上的疑慮,進(jìn)而促進(jìn)轉(zhuǎn)基因技術(shù)、轉(zhuǎn)基因作物和轉(zhuǎn)基因食品的發(fā)展,使其更好地為人類社會可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

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