郭 浩,白雪媛,陳 宇,宋文博,劉 那,王思明
(長春中醫藥大學東北亞中醫藥研究院,吉林長春 130117)
人參(PanaxginsengC.A.Mey)為五加科植物人參的根及根莖,屬于多年生宿根草本植物,是我國傳統名貴中藥材,被譽為“百草之王”。《神農本草經》記載其具有“補五臟、安精神、定魂魄、止驚悸、除邪氣、明目、開心益智、久服延年益壽”等功效[1-3]。人參具有多種活性成分,主要包括人參皂苷類、多糖類、蛋白質類物質,具有抗衰老、抗腫瘤、降血脂[4]、體外抗阿爾茲海默病[5-6]、緩解疲勞[7]、調節免疫功能[8]等多種藥理作用,具有著重要的藥用價值[9-10]。
人參蛋白是人參有效組分之一,現階段對人參蛋白的研究主要集中于人參中水溶性蛋白,目前提取人參蛋白的方法主要有硫酸銨沉淀法、有機試劑沉淀法、膜過濾法[11]等,并且已被證明其具有抗氧化、增強免疫、神經保護等藥理活性[12]。有研究表明包括木瓜,苦杏仁,白蕓豆等中藥材在內的多種植物醇溶蛋白目前均已進入較深層次研究,包括提取工藝、結構表征、相關活性等[13-15],而人參醇溶蛋白卻鮮有相關文獻報道。
因此本文優化了人參醇溶蛋白的最佳提取工藝并對其進行結構表征,探討了人參醇溶蛋白的體外抗氧化活性研究。為人參蛋白包括人參醇溶蛋白的進一步研究奠定理論基礎,對中藥材人參在食品、藥物開發等方面都具有重要意義。
人參藥材 吉林省撫松縣萬良鎮提供,長春中醫藥大學藥學院王哲副教授鑒定為植物人參(Panax ginsengC.A.Mey)的干燥根莖;無水乙醇 分析純,天津新通精細化工有限公司;氯化鈉、硫酸亞鐵 北京化工廠;水楊酸 天津市光復精細化工研究所;過氧化氫 天津新通精細化工有限公司;DPPH、羥基自由基試劑盒、Tris-Tricine-SDS-PAGE 凝膠制備試劑盒 北京索萊寶科技有限公司;BeyoBlueTM考馬斯亮藍超快染色液 上海碧云天生物技術有限公司。
GS-05 粉碎機 北京錕捷玉誠機械設備有限公司;Lynx 6000 離心機 美國Thermo Fisher 公司;S220-K-CN 標準型pH 計、AB135-S 電子天平、ALC-2100-2 電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;Alpha 3-4 Lscbasic 冷凍干燥儀 美國Labconco公司;超低溫冰箱(-80 ℃)SanyoThermo 公司;渦旋混合震蕩器 北京大龍儀器有限公司;Infinite 200 Pro 多功能酶標儀 瑞士Tecan 公司;Micro Mhemi 4.2凝膠成像儀 以色列DNR 公司。
1.2.1 人參醇溶蛋白提取、鹽析工藝及溶劑的選擇分別稱取25 g 人參粉,選擇無水乙醇,90%,80%,70%,60%,50%乙醇,回流2 h 提取,7000 r/min,25 ℃離心10 min,采用宋丹等[16]的鹽析法并修改,對人參醇溶性蛋白進行鹽析,取上清按1:1 料液比,與1% NaCl 混合,4 ℃,鹽析24 h,7000 r/min,25 ℃離心10 min,棄上清,沉淀凍干后備用。精密天平稱取適量人參醇溶性蛋白凍干粉,用相應提取溶劑配制成1 mg/mL 人參蛋白溶液,取等量2×蛋白上樣Buffer,混勻后沸水5 min,使蛋白變性后按順序于Tris-Tricine-SDS-PAGE 凝膠制備試劑盒說明書配制好的凝膠中上樣。按BeyoBlueTM考馬斯亮藍超快染色液說明書染色并脫色后于凝膠成像儀中成像。
1.2.2 單因素實驗
1.2.2.1 不同提取時間對人參醇溶蛋白得率的影響在提取料液比1:10,提取溶劑為90%乙醇,pH=7條件下進行試驗,研究提取時間0.5、1、1.5、2、2.5、3 h 對人參醇溶蛋白得率的影響,待提取完成,按1.2.1 方法鹽析蛋白,凍干后計算得率。人參醇溶蛋白得率(%)=人參醇溶蛋凍干粉質量/提取該人參醇溶蛋白粉所用人參質量。
1.2.2.2 不同料液比對人參醇溶蛋白得率的影響在提取時間為2 h,提取溶劑為90%乙醇,pH=7 條件下進行試驗,探討不同提取料液比1:5、1:10、1:15、1:20、1:25 g/mL 對人參醇溶蛋白得率的影響,提取結束后,按1.2.1 方法鹽析蛋白,凍干后計算得率。
1.2.2.3 不同pH 對人參醇溶蛋白得率的影響 在提取時間為2 h,提取溶劑為90%乙醇,料液比1:10(g/mL)的條件下進行試驗,探討當pH 分別為1、3、5、7、9 條件時對人參醇溶蛋白得率的影響。按1.2.1 方法鹽析蛋白,并在凍干后計算得率。
1.2.3 響應面設計試驗 采用Design Expert10.0.3軟件進行三因素三水平的Box-Behnken 試驗設計[17],根據單因素實驗的結果,以提取時間(A)、提取料液比(B)、提取pH(C)為自變量,對人參醇溶蛋白的提取進行工藝優化,表1 為試驗因素水平表。

表1 響應面試驗的因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment
1.2.4 紫外光譜掃描 取適量人參醇溶蛋白樣品溶于pH7.0 的90%乙醇中,使人參醇溶蛋白溶液的最終濃度為2 mg/mL。根據Qian 等[18]的方法,使用UV-2550 型紫外可見分光光度計進行掃描,掃描范圍為200~600 nm,掃描速度為60 nm/min。
1.2.5 傅立葉變換紅外吸收光譜(FTIR)檢測 將人參醇溶蛋白凍干粉與干燥的溴化鉀1:50 研磨混勻后,在專門的壓片機上壓制薄片,用Vertex70 型紅外光譜儀在400~4000 cm-1范圍內掃描[19]。
1.2.6 氨基酸組成成分分析
1.2.6.1 供試品處理 取一定量的人參醇溶蛋白樣品,轉移至水解管中,加入1 mL、6 mol/L 的鹽酸,充入氮氣約5 min,密封后放置于Block Heater 干式加熱器模塊中,110 ℃水解反應24 h。反應完畢后,將游離氨基酸溶液轉移至1.5 mL EP 管中,抽真空濃縮至干。
1.2.6.2 混合氨基酸標準品衍生化的處理 取25 μL混合氨基酸標準品溶液,加入12.5 μL 1 mol/L 三乙胺渦旋混合震蕩,之后加入12.5 μL、0.1 mol/L 異硫氰酸苯酯(PITC)渦旋混合震蕩室溫靜置1 h,加入100 μL 正己烷劇烈混合震蕩后靜置10 min,取下層溶液20 μL,加入180 μL 流動相A 溶液,混合后0.22 μm 過濾處理待測試。
1.2.6.3 樣品溶液衍生化處理 取適量流動相A 液復溶已凍干樣品游離氨基酸,取25 μL 樣品氨基酸溶液,加入12.5 μL 1 moL/L 三乙胺渦旋混合震蕩,加入12.5 μL 0.1 mol/L 異硫氰酸苯酯(PITC)渦旋混合震蕩室溫靜置1 h,100 μL 正己烷劇烈混合震蕩后靜置10 min,取下層溶液20 μL 與180 μL 流動相A 溶液混合后0.22 μm 過濾處理等待測試。
1.2.6.4 高效液相色譜條件 A 液為0.05 mol/L 乙酸鈉水溶液,B 液為甲醇-乙腈-水溶液(甲醇:乙腈:水)=20:60:20(V:V:V)。流速為:1.0 mL/min;柱溫:35 ℃;色譜柱為Aglient AdvanceBio columns洗脫條件見表2。

表2 高效液相色譜洗脫條件Table 2 High performance liquid chromatography separation gradients
1.2.7 掃描電子顯微鏡(SEM)將凍干后人參醇溶蛋白樣品均勻撒在貼有導電膠的硅片上,用洗耳球吹掉多余的樣品,離子濺射儀進行90 s 噴金處理處理,后放入掃描電子顯微鏡在5 kV 加速電壓下觀察100、500、1000 倍三個倍數下拍攝人參醇溶蛋白成像。
1.2.8 人參醇溶蛋白體外抗氧化試驗
1.2.8.1 DPPH 自由基清除能力 采用文獻[20]方法并進行修改,設計不同pH 條件下人參醇溶蛋白體外抗氧化活性。參考文獻[21]報道,取適量人參醇溶蛋白凍干粉,90%乙醇溶解配成1 g/100 mL 的人參醇溶蛋白溶液后調pH=1、3、5、7、9 并取50 μL不同pH樣品溶液與200 μL 0.004% DPPH 溶液(無水甲醇溶解)混合反應,在37 ℃下避光反應1 h,12000 r/min離心5 min,于517 nm 波長處測定吸光度A1;用無水甲醇代替DPPH 溶液,測定吸光度A2;用蒸餾水代替樣品溶液,測定吸光度A0,計算DPPH 自由基清除率,公式為:清除率(%)=[1-(A1-A2)/A0]×100。
1.2.8.2 羥基自由基清除能力 參考文獻[22-23]報道,將50 μL 不同pH 樣品溶液與100 μL、9 mmol/L 硫酸亞鐵,100 μL、9 mmol/L 水楊酸(無水乙醇溶解)混合,加入100 μL 過氧化氫(8.8 mmol/L),在25 ℃下反應30 min,12000 r/min 離心5 min,于510 nm 波長處測定吸光度A1;用蒸餾水代替過氧化氫,測定吸光度A2;用蒸餾水代替樣品溶液,測定吸光度A0,計算羥基自由基清除率,公式為:清除率(%)=[1-(A1-A2)/A0]×100。
1.2.8.3 鐵離子還原能力 參考文獻[24]報道,將1.0 mL 不同pH 樣品溶液與1.0 mL 1%鐵氰化鉀溶液混合,在50 ℃下反應20 min,冷卻至室溫后,加1.0 mL 10%三氯乙酸,5000 r/min 離心15 min,取2.5 mL 上清液與0.15 mL 0.1%氯化鐵混合,于700 nm 波長處測定吸光度。
每個樣品重復測定3 次,取平均值,采用SPSS Statistics 17.0 軟件進行方差分析和顯著性分析,P<0.05 表示具有顯著性差異,使用Graph Pad prism 8.0.2 和Design-Expert 10.0.3 進行數據處理和分析。
如圖1 所示,人參醇溶蛋白在不同提取溶劑提取條件下,在SDS-PAGE 電泳后呈現出不同分子量蛋白條帶,50%、60%、70%、80%體積分數乙醇溶液提取結果猜測可能是因為提取溶劑水分的占比過大,將人參中即溶于水同時又溶于乙醇的兩性蛋白提取出來,為了將提取的人參醇溶蛋白進行簡單純化并得到只溶于醇的蛋白,且90%體積分數乙醇溶液與無水乙醇提取所呈現蛋白條帶相近,因此本試驗選用90%乙醇作為人參醇溶蛋白的提取溶劑。

圖1 不同提取溶劑提取人參醇溶蛋白的SDS-SPEAG電泳圖Fig.1 SDS-SPEAG electrophoresis patterns of ginsenoside soluble proteins extracted with different extraction solvents
2.2.1 提取時間對人參醇溶蛋白得率的影響 提取時間對人參醇溶蛋白得率的影響如圖2 所示,由圖2 可知,隨提取時間的延長,人參醇溶蛋白的得率逐漸升高,當提取時間為2 h 時,得率達到最高,可能是因為人參醇溶蛋白與提取液溶解不夠充分所致。繼續增加提取時間,人參醇溶蛋白的得率下降,這可能是因為隨著提取時間的增加,蛋白變性所導致[25]。經過統計分析,發現提取時間對人參醇溶蛋白得率的影響存在顯著性差異(P<0.05),因此選取提取時間1.5、2 和2.5 h 作為進一步響應面試驗優化的條件。

圖2 提取時間對人參醇溶蛋白得率的影響Fig.2 Effect of extraction time on the yield of ginseng alcoholsoluble protein
2.2.2 提取料液比對人參醇溶蛋白得率的影響 提取料液比對人參醇溶蛋白得率的影響如圖3 所示,由圖3 可知,提取料液比1:5~1:10(g/mL)時,人參醇溶蛋白的得率上升,當提取料液比為1:10(g/mL)時,人參醇溶蛋白的得率達到最高,因為隨料液比的增加,更多蛋白與提取液充分接觸,利于蛋白溶出,提高人參醇溶蛋白得率[26]。當料液比增加至1:25(g/mL)時,人參醇溶蛋白得率下降,可能是隨著提取溶劑的增多,人參醇溶蛋白與蛋白水解酶充分接觸,部分人參醇溶蛋白被蛋白水解酶水解所致。因為人參醇溶蛋白的得率在料液比1:10 時提取效果最好,繼續增加料液比也沒有對人參醇溶蛋白得率有顯著提高。經過統計分析,發現料液比的變化對人參醇溶蛋白得率有顯著性影響(P<0.05),因此選取料液比1:5、1:10 和1:15(g/mL)作為進一步響應面試驗優化的條件。

圖3 提取料液比對人參醇溶蛋白得率的影響Fig.3 Influence of extraction material-liquid ratio on the yield of ginseng alcohol-soluble protein
2.2.3 提取pH 對得率的影響 提取pH 對人參醇溶蛋白得率的影響如圖4 所示,由圖4 可知,在pH7 之前,蛋白質提取率隨pH 的增加而增加,人參醇溶蛋白的得率在pH7 時升至最高,隨后開始下降,這可能與人參醇溶蛋白的等電點相關。經統計分析,發現提取pH 對人參醇溶蛋白得率有顯著性影響(P<0.05),因此選取pH5、7、9 作為進一步響應面試驗優化的條件。

圖4 提取pH 對人參醇溶蛋白得率的影響Fig.4 Effect of extraction pH on the yield of ginseng alcoholsoluble protein
2.3.1 響應面試驗設計與結果 在Box-Behnken 試驗設計原理基礎上,設計了三因素三水平的響應面分析試驗。根據設計出的試驗方案中的不同試驗條件進行試驗,每組平行做三次,得到的設計方案及結果如表3 所示。

表3 響應面試驗BBD 設計與結果Table 3 Response surface test BBD design and results
2.3.2 回歸模型的建立及分析 運用Design-Expert 10.0.3 軟件,對表3 進行擬合,以人參醇溶蛋白得率作為響應值,得到的二次多項回歸方程為:Y=0.30+0.04A+0.013B+0.044C+0.0035AB+0.046AC+0.022BC-0.057A2-0.056B2-0.081C2。響應面分析結果見表4。

表4 響應面試驗方差分析Table 4 Response surface experimental ANOVA
從表5 可以看出,二次項C2對人參醇溶蛋白得率影響極顯著,一次項A、C,交互項AC、BC,二次項A2、B2對人參醇溶蛋白得率影響顯著,一次項B,交互項AB 對人參醇溶蛋白得率影響不顯著,得影響人參醇溶蛋白得率的順序為提取pH(C)>提取時間(A)>提取料液比(B)。建立的回歸模型中P<0.0001,表明回歸模型的達到了極顯著水平(P<0.01);而失擬項的P為0.1461>0.05,其模型差異不顯著,說明模型具有較好的試驗穩定性,表明該方程可靠。本研究擬合度為0.9798,反映了本研究的正確性和準確性;R2Adj=0.9539,表示本研究所設計的試驗模型可以用來說明95.39%的試驗數據,變異系數CV=8.25%,變異系數比較低,表示該模型具有較高的可信度和精確度;此次試驗信噪比為14.395>4,表明在精密度試驗中該模型精密度良好。綜上所述,該模型能較好地反映響應值的變化。

表5 回歸模型方差分析Table 5 Regression model analysis of variance
2.3.3 各因素間的交互作用 根據回歸方程分析結果,利用DesignExpert 8.0.6 軟件進行擬合,做響應面曲面圖,進一步直觀地確認三因素兩兩交互作用對蛋白得率的影響[27-28]。
對提取時間(A)、提取料液比(B)、提取pH(C)進行兩兩交互分析,做不同因素間響應面圖見圖5~圖7。曲面越陡,等高線越密集,則影響越顯著,等高線越接近橢圓,兩個因素的交互作用越強。

圖5 提取時間和提取料液比對人參醇溶蛋白得率的交互影響Fig.5 Interaction effect of extraction time and extraction stock ratio on the yield of ginseng alcohol-soluble protein
由圖5 所示,響應面坡度平緩,等高線稀疏,說明提取時間提取料液比的交互作用對人參醇溶蛋白得率的影響較小。
由圖6 所示,在固定提取料液比、提取時間的情況下,人參醇溶蛋白得率隨著提取pH 的增加先上升后降低;在固定提取料液比、提取pH 的情況下,人參醇溶蛋白得率隨著提取時間的增加先上升后降低。響應面坡度陡峭,等高線接近于橢圓形,說明提取時間和提取 pH 的交互作用對人參醇溶蛋白得率的影響顯著。

圖6 提取時間和提取pH 對人參醇溶蛋白得率的交互影響Fig.6 Interactive effects of extraction time and extraction pH on the yield of ginseng alcohol-soluble protein
由圖7 所示,在固定提取時間、提取pH 的情況下,隨著提取料液比的增加,人參醇溶蛋白得率呈現升高后降低變化趨勢;在固定提取時間、提取料液比的情況下,隨著提取時間的增加,人參醇溶蛋白得率呈現升高后降低變化趨勢。響應面坡度陡峭,等高線密集,說明提取pH 和提取料液比的交互作用對人參醇溶蛋白得率影響顯著。

圖7 提取料液比和提取pH 對人參醇溶蛋白得率的交互影響Fig.7 Interactive effects of extraction stock ratio and extraction pH on the yield of ginseng alcohol-soluble protein
2.3.4 最佳工藝驗證性試驗 通過Design Expert 10.0.3 軟件預測得到人參醇溶蛋白最佳提取工藝條件為提取時間為2.30 h,提取料液比為1:11.45 g/mL,提取pH7.78 是最優的工藝參數。該方法可以使蛋白得率達到0.322%。結合實際操作條件,將人參醇溶蛋白提取工藝調整為提取時間2 h、提取料液比1:10 g/mL、提取pH7。在此試驗的基礎上,進行三次工藝驗證試驗,得到人參醇溶蛋白的提取率為0.319%±0.001%,與預期的預測的0.322%相近,表明該數學模型的優化范圍達到了預期目的,且具有可靠性和和重現性。通過該試驗模型可以有效的獲得更多的人參醇溶蛋白[29]。
如圖8 所示,經過紫外最大波長掃描,發現人參醇溶蛋白最大紫外吸收波長為224 nm。在280 nm附近也有微弱的吸收峰,說明人參醇溶蛋白含有一定量的酪氨酸[30]。

圖8 人參醇溶蛋白紫外全波長掃描Fig.8 UV full wavelength scan of ginseng alcohol soluble protein
如圖9 所示,人參醇溶蛋白在4000~400 cm-1有很多吸收峰,波數3347 cm-1處出現的寬峰是HO 鍵伸縮振動引起的典型吸收峰,2923 cm-1出現的峰是由-CH2-反對稱伸縮振產生的,1652 cm-1處的吸收峰是由蛋白質酰胺I 帶特征基團R-CO-NH2中-C=O-伸縮振動產生的,1516 cm-1處吸收峰是蛋白質伯胺基團中的-NH 面內彎曲振動產生的,1378 cm-1處的吸收峰由蛋白質中游離的COO-對稱伸縮振動產生的,1238 cm-1處的吸收峰可能由-C(CH3)3中的C-C 反對稱伸縮振動產生的,后面出現的721、575、523 cm-1可能是由-OH 的存在而引起的[31-33]。

圖9 人參醇溶蛋白紅外光譜圖Fig.9 Infrared spectrum of ginseng alcohol-soluble protein
2.6.1 氨基酸組成混合標準品及樣品液相分析 氨基酸混合標準品經PITC 衍生化處理后,經高效液相色譜分析,得到的原始數據經過Empower 積分標峰,所得的標峰圖譜和數據處理積分列表見圖10。

圖10 氨基酸標準品液相色譜圖Fig.10 Liquid chromatogram of amino acid standards
供試品水解后的游離氨基酸樣品經PITC 衍生化處理后,經高效液相色譜分析,得到的原始數據經過Empower 積分標峰,所得的標峰圖譜和數據處理積分列表見圖11。

圖11 醇溶蛋白氨基酸組成液相色譜圖Fig.11 Liquid chromatogram of amino acid composition of alcohol-soluble protein
人參醇溶蛋白的氨基酸的組成成分如表6 所示,其中人參醇溶蛋白氨基酸總量占82.3%,人體必需氨基酸含量占26.46%,藥用氨基酸含量占30.51%。人參醇溶蛋白中同時屬于人體必需氨基酸和藥用氨基酸的LYS、ILE 以及PHE 在促進人體生長發育,增強機體免疫力以及抗病毒等方面有較強功效[34]。這些結果表明,人參醇溶蛋白中所含人體必需氨基酸以及藥用氨基酸占比較高,在生物醫學以及食品工業方面有較強的開發價值。
如圖12 所示,不同倍數掃描電鏡下人參醇溶性蛋白結構完整,表面稀疏,具有少數孔隙,蛋白質顆粒呈蜂窩聚集狀態,具有穩定有序的網狀結構,表面有不規則的脊形凸起,該電鏡結果與疏水性蛋白結構一致[35]。

圖12 人參醇溶蛋白1000、500、100 倍數下掃描電鏡圖Fig.12 Scanning electron microscope images of ginseng gliadin at 1000,500 and 100 times
2.8.1 不同pH 人參醇溶蛋白對DPPH 自由基的清除能力 圖13 顯示,在人參醇溶蛋白pH 為1~7 范圍內,人參醇溶蛋白對DPPH 基自由基的清除率先下降后上升,當pH=1 時DPPH 基自由基的清除率高達96%,時當pH=5 時清除率最低為21%,而后隨著pH 的升高,人參醇溶蛋白對DPPH 自由基的清除率又逐漸升高。與弱堿性條件(pH=9)相比,在較強酸性條件下(pH=1),高靜電荷引起的分子內電荷排斥力導致蛋白質分子的腫脹與展開,暴露其疏水基團,從而促進其抗氧化活性[36]。

圖13 不同pH 人參醇溶蛋白對DPPH 自由基的清除能力Fig.13 Scavenging ability of DPPH free radicals by ginseng alcohol-soluble protein at different pH
2.8.2 羥基自由基清除能力 圖14 可以看出,在人參醇溶蛋白pH 為1~7 范圍內,人參醇溶蛋白對羥基自由基的清除率逐漸下降,當pH 大于5 時,清除率又逐漸緩慢上升,但變化不顯著。當pH=1 時人參醇溶蛋白對羥基自由基的清除率最大,達到79%。這可能是因為隨著pH 的增加,人參醇溶蛋白的空間構像發生了改變,產生了不同的抗氧化活性。

圖14 不同pH 人參醇溶蛋白對OH 自由基的清除能力Fig.14 Scavenging ability of OH radicals by ginseng alcoholsoluble protein at different pH
2.8.3 不同pH 人參醇溶蛋白對鐵離子的還原能力圖15 顯示,在人參醇溶蛋白pH 為1~7 范圍內,人參醇溶蛋白鐵離子的還原能力先迅速下降后逐步上升,當pH 為1 時還原作用最強,高達0.86,當pH大于5 時,換還原力逐漸增加,這可能是堿性pH 使疏水性氨基酸殘基增多,提高了人參醇溶蛋白對鐵離子的還原力[37]。

圖15 不同pH 人參醇溶蛋白對鐵離子的還原能力Fig.15 Reduction ability of ginseng alcohol-soluble protein to iron ions at different pH
本研究確定人參中醇溶蛋白最佳提取工藝為,提取時間2 h、料液比1:10 g/mL、提取pH7,此工藝下蛋白得率為0.319%。該蛋白分子量約為3.3 kDa,與疏水性蛋白的表面結構特征一致,氨基酸總量為82.3%。當pH=1 時,其對DPPH 自由基的清除率為96%,對羥基自由基的清除率為79%,對鐵離子的還原能力為0.86,本文可為人參醇溶蛋白的開發利用提供數據支持與科學依據,但其發揮抗氧化活性的具體機制尚不明確,需通過體內實驗進行深入研究。
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