come funziona la cottura a microonde?

forno_microonde_icona Quello per microonde è un metodo doppiamente indiretto per indurre il riscaldamento di un prodotto, nel caso specifico di un alimento. Indiretto in primo luogo perché, al pari degli altri metodi basati sull’irraggiamento non comporta il contatto diretto fra la sorgente di calore ed il materiale da riscaldare; ma ulteriormente indiretto anche in ragione del fatto che il tipo di movimento indotto nelle molecole bersagliate non è una banale vibrazione (e si può dire che la vibrazione delle molecole di un materiale “E’” in pratica il suo calore), bensì uno specifico movimento di tipo rotatorio e riferito ad una tipologia di molecole ben definita (fra le quali quelle dell’acqua), che solo indirettamente può indurre le classiche vibrazioni ad effetto riscaldante nell’ambiente molecolare circostante alla molecole in vibrazione.

Nel breve paragrafo con il quale ho cominciato questo post è concentrato veramente di tutto.   Per sviluppare ed approfondire questi concetti, nonché per descrivere l’effetto delle microonde sulle molecole e sulla loro reattività, sono stati scritti interi libri, fra i quali un riferimento è sicuramente:
“Microwave Sinthesys – chemistry at the speed of light” – Brittany L. Hayes, Ph.D – CEM Publishing, che partendo da una rigorosa trattazione su cosa siano le microonde e di come queste interagiscano con la materia, arriva a considerare ed a valorizzare l’impiego delle stesse per velocizzare il decorso delle più diverse tipologie di reazioni chimiche.   D’altra parte non dobbiamo dimenticare che se il riscaldamento (o lo scongelamento) di un alimento è solo questione di aumentarne la temperatura per un certo periodo, la “cottura” vera e propria comporta per definizione lo svolgimento in esso di una sequenza estremamente complessa di reazioni chimiche, per quanto del tutto naturali ed intrinsecamente legate alla natura del prodotto medesimo.
Ma consideriamo punto per punto cosa succede durante la cottura a microonde, ad iniziare dal significato fisico della microonda stessa.
In un forno tradizionale il riscaldamento può avvenire per irraggiamento, convezione e (marginalmente) per conduzione.
La conduzione è una trasmissione del calore tramite contatto fisico diretto fra la parte calda e quella che ancora non lo è, senza movimento macroscopico di materia, semplicemente a livello di “urti” su scala microscopica, fra una molecola in vibrazione e le altre ad essa vicina.   Quindi nel contesto di un forno la conduzione può al limite valere per la trasmissione di calore dalla teglia metallica al prodotto su di essa adagiato, ma non dalla sorgente “in primis” di calore alla teglia stessa.
convezione_pentola La convezione invece è una modalità di trasmissione di calore che comporta lo spostamento reciproco nello spazio di masse di fluidi (liquidi o gas): un fluido riscaldato inizialmente per conduzione si sposta nello spazio (comunemente verso l’alto in quanto più leggero in funzione della sua temperatura; in funzione del sistema di ventilazione in un forno ventilato) fino a venire a contatto con parti ancora fredde, alle quali cede parte del calore acquisito, quindi si raffredda e torna in circolo fino a scaldarsi nuovamente per contatto con la sorgente di calore.   Il riscaldamento per convezione, che per inciso non potrebbe avvenire nel vuoto, ovvero in assenza di aria o acqua veicolanti, è sfruttato molto bene dei forni ventilati, ma è anche importantissimo nel riscaldamento dalla base di pentole alte, come per esempio quella per far bollire la pasta: da qui i moti “convettivi”, dal dal fondo alla superficie nella parte centrale della pentola, per poi scendere lungo il lato interno delle pareti, osservabili ancora meglio quando nell’acqua è risperso qualcosa di piccolo e movimentabile, come ad esempio la pastinadell’acqua in ebollizione e della stessa pasta in essa dispersa (vedi anche la figura a lato).
L’irraggiamento è invece una modalità di trasmissione del calore che non comporta il contatto né diretto né indiretto fra i due corpi: il calore viene propagato mediante radiazioni elettromagnetiche, emesse dal corpo più caldo, trasmesse attraverso lo spazio (anche il vuoto) fra i due corpi e “raccolte” dal corpo inizialmente più freddo, che le trasformerà in vibrazioni molecolari. Un elemento metallico arroventato come la serpentina di una resistenza in un forno così come il filamento di una lampadina, sono sorgenti classiche di emissione di calore tramite irraggiamento.

Ecco, quella per microonde è una tipologia specifica di trasmissione del calore per irraggiamento.    Anzi, volendo essere solo un minimo più rigorosi, dovremmo parlare non tanto di trasmissione del calore, quanto di energia, essendo il calore una conseguenza in questo caso piuttosto indiretta legata ad altri fenomeni che ora ci apprestiamo ad affrontare.

La prima distinzione fra i forni a microonde ed i forni convenzionali, volendo anche considerare isolatamente la sola modalità di riscaldamento per irraggiamento di questi ultimi, risiede nella stessa natura elettromagnetica delle radiazioni emesse: tipicamente infrarosso per i forni tradizionali, “microonde” appunto per quelli che portano questo nome.   Nella grafico che segue possiamo osservare come a partire dalle lunghezze d’onda della luce visibile, se la radiazione ultravioletta si pone su valori energetici più elevati (lunghezze d’onda minori), e l’infrarosso su valori energetici più ridotti (lunghezze d’onda maggiori), la radiazione nel campo delle microonde si attesta su valori energetici inferiori ancora rispetto a queste ultime e su lunghezze d’onda che vanno dai centimetri fino al metro. Al di sopra di questi valori nello spettro elettromagnetico inizierebbe il territorio delle onde radio.

microonde_spettro_elettromagnetico_interazioni_molecolari

I raggi infrarossi inducono nelle molecole interessate dall’interazione dei movimenti di tipo diverso a carico dei legami fra un atomo e l’altro che dipendono dal tipo di legame (ad esempio dalla tipologia dei due atomi legati) e dal contesto della specifica molecola nel quale questo è inserito, oltre naturalmente dalla frequenza specifica della radiazione infrarossa che andiamo a considerare.    Tutti questi movimenti hanno però in comune il fatto di coinvolgere i legami interatomici e di essere a carico della lunghezza di legame (che potrà osclillare nel senso di un allungamento/accorciamento) e/o dell’angolo di legame, ovvero dell’angolo formato fra un due legami vicini, angolo che potrà oscillare fra una posizione di maggiore chiusura ed una di maggiore apertura. Sono queste le vibrazioni elementari che, traslate poi su scala via via più ampia, possono essere intese come movimento molecolare in senso lato, giustificando quella proprietà macroscopica misurabile in un corpo che noi chiamiamo temperatura.
Nel caso di interazione con le microonde una molecola predisposta (avente in questo caso un momento di dipolo non nullo) non andrà incontro ai suddetti movimenti interni descritti per l’interazione con i raggi infrarossi, bensì “ruoterà” nella sua interezza.

caratteristiche_geometriche_molecola_acqua Il momento di dipolo è una proprietà fisica delle molecole che dipende dal tipo di atomi che le compongono e dalla loro posizione reciproca di legame.
Quando in una molecola vi sono atomi più elettronegativi (ovvero con carica parziale negativa perchè attirano di più lo sciame di elettroni messi in comune fra gli atomi legati fra loro) ed atomi meno elettronegativi (ovvero con carica parziale positiva perchè attirano di meno questi elettroni) distanziati fra loro, si crea quello che i fisici chiamano “momento di dipolo”, proprietà vettoriale proporzionale sia alle cariche in gioco che alle distanze fra gli atomi coinvolti.   Il momento di dipolo sta alla base di una delle proprietà chimico-fisiche in assoluto più importanti nello spiegare il comportamento anche macroscopico di una sostanza: la sua polarità (vedasi altri post sull’argomento, ad esempio nel campo della rimozione delle macchie dai tessuti).
momento_dipolo_acqua Mentre in una molecole lineare composta da due atomi a diversa elettronegatività il momento di dipolo è facilmente immaginabile come una sorta di, …. Nel caso dell’acqua se questa risultasse composta da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno disposti simmetricamente ed in linea fra loro, proprio come nello scrivere H-O-H, i due momenti di dipolo, quello che “tira” dall’H di sinistra verso l’ossigeno e quello che tira dall’atomo di destra verso l’ossigeno, sarebbero due forze uguali e contrarie che si compenserebbero a vicenda, con il risultato che il momento di dipolo complessivo della molecola risulterebbe pari a zero, ovvero la molecola sarebbe del tutto apolare e non potrebbe interagire in modo diretto con le microonde.
Fortunatamente per noi, non solo per i forni a microonde ma per la possibilità della vita stessa sul pianeta, I due atomi di idrogeno (H) non sono disposti simmetricamente sulla stessa retta rispetto all’atomo di ossigeno (O), bensì formano fra loro un angolo di 104,5°: quel tanto che basta per far sì che la somma vettoriale delle due forze (detta quindi momento dipolare) non sia nulla ma di una ben precisa intensità ed orientata secondo una direzione indicata nel disegno con la freccia “p” di colore verde.

La rotazione delle molecole con momento dipolare non nullo è la risposta del tentativo della molecola di allineare il suo dipolo (e di conseguenza riorientare la posizione delle molecola stessa) nella direzione del campo elettrico.
microonda_rappresentazione Come tutte le radiazioni elettromagnetiche compresa la luce stessa visibile, le microonde consistono in un campo elettrico ed un campo magnetico oscillanti ed associati fra loro, e la frequenza di questa oscillazione corrisponde alla frequenza stessa della radiazione elettromagnetica, come illustrato in figura.   Mentre il campo magnetico non fornisce nel nostro contesto operativo interazioni con il prodotto, quello elettrico essendo oscillante nel suo andamento sinusoidale, da positivo a negativo passando per lo zero e poi di nuovo positivo e così via, impone alle molecole che tendono ad allineare ad esso il loro dipolo un moto rotatorio.   La rotazione delle molecole dipolari induce a sua volta un riscaldamento intenso e velocissimo nell’intorno delle molecole stesse in rotazione: in queste condizioni di elevatissima temperatura a livello micro-locale, l’efficienza del trasferimento di calore diviene altamente efficiente, tanto da motivare a questa seconda fase del processo un nome specifico: conduzione ionica.

Come per tutti gli altri campi elettromagnetici, anche le microonde offrirebbero un continuo spettrale (per la precisione da 300 a 300000 MHz), da utilizzare “in toto” oppure all’interno del quale scegliere le frequenze (o le lunghezze d’onda) più appropriate per le nostre esigenze.   Per ragioni che non sono mai riuscito a comprendere fino in fondo (mi è stato detto dagli specialisti nel settore che si tratta di imposizioni di natura militare), per uso domestico e di laboratorio sono consentite soltanto 4 diverse e ben precise frequenze, delle quali una sola è quella comunemente utilizzata, anche perché la più utile per provocare le suddette interazioni con l’acqua: quella alla frequenza di 2450 MHz, che corrisponde ad una lunghezza d’onda di 12,25 cm.

Una differenza concreta fra il metodo di riscaldamento a microonde e tutti gli altri esaminati finora, valorizzata scrupolosamente dai venditori di questa specifica tecnologia, è che mentre per il riscaldamento per conduzione, convezione o irraggiamento a raggi infrarossi tradizionali il calore arriva comunque dall’esterno del prodotto, spingendosi gradatamente verso l’interno, le microonde sono in grado di generare dei punti di riscaldamento direttamente “all’interno” del prodotto.    Nonostante siano più energetiche dal punto di vista elettromagnetico, i raggi infrarossi tradizionali sono intercettati e quindi interagiscono facilmente dai primi strati di prodotto, dove eccitano genericamente un po’ tutte le molecole che incontrano, inducendo in esse le vibrazioni che per noi sono sinonimo di calore.   Questo calore di diffonde poi alla massa interna del prodotto quasi unicamente per conduzione, e ben sappiamo quanto sia poco efficiente la conduzione all’interno dei prodotti organici e della stessa acqua della quale gli alimenti sono quasi sempre ricchi.  pane_crosta Lo strato più esterno del prodotto, quello che si scalda per primo, rischia inoltre di essere esposto a temperature eccessive e per più tempo, con il risultato di un gradiente di cottura maggiore dall’esterno all’interno del prodotto, cosa che a seconda dell’abilità del cuoco può trasformarsi da un “rischio bruciato” alla classica crosticina fragrante sulla superficie del prodotto.    Le microonde al contrario, interagendo in modo selettivo solo con le molecole dotate di un momento di dipolo non nullo (nella pratica della cottura dei cibi si pensi all’acqua), penetrano indenni la massa del prodotto esposto ad esse, fino a raggiungere e a far rotare solo le molecole strutturalmente predisposte a questo tipo di interazione.   Se l’acqua dovesse trovarsi prevalentemente al centro della massa di prodotto sottoposto alle microonde, la zona riscaldata, almeno in un primo momento, sarebbe in effetti solo il centro: le zone più periferiche potranno poi scaldarsi da sole, anche uno volta estratto il prodotto dal forno, per contatto con la zona interna più calda (trasmissione del calore per conduzione) o al limite, se il prodotto fosse sufficientemente fluido, anche per convezione.

Le domande più frequenti che gli utilizzatori dei forni a microonde in cucina pongono riguardano solitamente l’aspetto della sicurezza e quello della gradevolezza dell’alimento trattato.   Su quest’ultimo aspetto, che coinvolge sia la qualità organolettica (sapore ed odore) del cibo che la sua struttura (consistenza, umidità, croccantezza, ecc), non posso che confermare l’evidenza: i risultati di cottura ottenuti con le microonde sono sostanzialmente diversi da quelli ottenuti sugli stessi ingredienti mediante forno tradizionale per diverse ragioni, alcune delle quali più intuitive, altre più complesse da affrontare.   Possiamo preferire soggettivamente un tipo di cottura piuttosto che un’altra, o possiamo scegliere fra le due a seconda del tipo di piatto che e di risultato che vogliamo ottenere, ma si tratta nella maggior parte dei casi du due risultati discretamente o molto diversi.
Tutto questo, beninteso, parlando di “cottura” propriamente detta, ovvero di un processo che comporta per definizione delle variazioni fisiche e chimiche nella natura del prodotto ad opera del calore, comunque questo sia prodotto.   Completamente diverso sarebbe invece il discorso se volessimo parlare di solo riscaldamento, compreso lo scongelamento di un alimento: in questo caso possiamo affermare tranquillamente che né a livello teorico né pratico non vi sono differenze fra il riscaldamento tradizionale e quello a microonde, se non magari il fatto che il primo, se condotto a temperatura troppo elevata (es. mettere un prodotto ancora congelato direttamente in pentola a fuoco alto) potrebbe iniziare a cuocersi e magari anche a deteriorarsi all’esterno, quando il cuore interno potrebbe presentarsi ancora in forma congelata; con le microonde per contro potremmo avere uno scongelamento ed un successivo riscaldamento delle zone contenenti molta umidità (ghiaccio), mentre le zone più secche ad asciutte potrebbero risultare allo stesso momento ancora congelate.

Circa il capitolo sicurezza, le domande più frequenti si orientano sia sul rischio di fuoriuscita di microonde dall’apparecchio e la loro diffusione nell’ambiente circostante, sia la sicurezza alimentare dell’alimento trattato, con il dubbio che questa modalità di riscaldamento possa causare nel prodotto la formazione di nuove sostanze, ovvero la combinazione e/o la degradazione delle molecole inizialmente presenti negli ingredienti secondo decorsi imprevedibili e magari nefasti, magari con il rischio di formazione di composti a vario titolo nocivi.
Circa il rischio di fuoriuscita delle microonde dall’apparecchio, può risultare tranquillizzante ricordare che si tratta di onde elettromagnetiche di lunghezza d’onda molto elevata, come detto 12,25 cm nelle applicazioni domestiche: una lunghezza “molto umana”, quasi una spanna, che le rende particolarmente bene schermabili da un punto di vista fisico-ingegneristico in quanto non presentano quella tanto temuta diffusività e capacità di infiltrarsi nei minimi interstizi lasciati liberi. distillatore_microonde Fra l’altro la stessa caratteristica che impone all’interno dei forni la rotazione del piatto sul quale è appoggiato il prodotto, pena il rischio che alcune zone del cibo vengano scaldate ed altre no, fa già intuire che queste radiazioni sono tutt’altro che così pervasive nella loro distribuzione, ad anzi i progettisti di forni devono curare molto bene l’aspetto dell’allestimento interno con materiali che riflettano molto bene le microonde per poter assicurare una distribuzione il più possibile uniforme delle stesse all’interno della zona dove verrà collocato il recipiente con i cibi.    Questo piccolo “difetto” delle microonde, derivante indirettamente appunto dalla loro elevata lunghezza d’onda, inferiore solo a quella delle onde radio, le rende però come si diceva meglio schermabili di molte altre radiazioni: nei sistemi professionali che utilizzano le microonde nell’ambito dei laboratori chimici addirittura i forni o comunque i sistemi di reazione a microonde possono presentare dei fori di uscita aperti anche di diversi centimetri di diametro, purchè in essi sia infilato come guida un manicotto metallico lungo almeno una spanna, ed attraverso questi canali l’operatore potrà mettere in contatto l’interno del forno con l’ambiente esterno.   Ad esempio per distillare un prodotto potrà collocare il bollitore all’interno del forno a microonde e fare uscire dalla sommità i vapori attraverso un tubo di vetro per farli condensare esternamente e raccogliere quindi il distillato prodotto.

Circa il rischio relativo al fatto che le microonde inducano negli alimenti la formazione di molecole estranee, diverse da quelle prodotte durante una cottura in un forno tradizionale, e nello specifico pericolose per la salute umana, possiamo rispondere difendendo il nostro nuovo sistema di cottura con almeno un paio di argomentazioni diverse.   La prima è relativa al fatto che l’energia dei fotoni delle microonde, proporzionale come per tutte le radiazioni elettromagnetiche alla sua frequenza, è molto bassa (0.037 kcal/mole), più bassa di quella degli infrarossi utilizzati nei forni ad incandescenza e di diversi ordini di grandezza al di sotto dell’energia tipicamente richiesta per la rottura dei legami chimici (80-120 kcal/mol): di conseguenza le microonde non possono indurre loro stesse cambiamenti strutturali nelle molecole con le quali interagiscono.   L’interazione con queste sarà invece di tipo puramente cinetico, derivante cioè dal momento rotatorio impartito, come descritto in precedenza; reazioni chimiche a carico delle stesse molecole potranno pur sempre avvenire (altrimenti gli ingredienti non si cuocerebbero!), ma essi non saranno provocati dalle microonde ma piuttosto dal calore generato nell’ambito del suddetto fenomeno della conduzione ionica che sta alla base della conversione da moto molecolare rotatorio a calore a livello microscopico.    Un altro argomento a difesa della salubrità della cottura a microonde sta nel fatto che esse possono sì accelerare diversi tipi di reazioni chimiche (ed infatti il chimico le utilizza nell’ambito della sua attività di laboratorio anche per questo!) ma si tratta comunque di reazioni che in un modo o nell’altro sarebbero avvenute comunque, erano inevitabili in relazione agli ingredienti utilizzati, ed avrebbero richiesto per completarsi solo grandi dispendi di tempo e di energia termica, ovvero una cottura più lunga e/o più intensa.  aroma_cibo_microonde  Si tratta di reazioni quindi termodinamicamente possibili, sfavorite solo dal punto di vista cinetico, e l’effetto rotatorio indotto nelle molecole dipolari viene a risolvere anche questo inconveniente, accelerando notevolmente i tempi di avanzamento di queste reazioni naturali e quindi di cottura, ma senza giustificare decorsi del processo verso la formazione di molecole impreviste.   Confrontando la composizione analitica, ad esempio quella delle singole specie chimiche che costituiscono l’aroma di un cibo cotto con il forno tradizionale rispetto a quello allo stesso grado di cottura ottenuto con tecnologia a microonde, si nota abitualmente che quest’ultimo mostra addirittura un numero inferiore di specie chimiche diverse rilevabili: questo potrà forse costituire per taluni un problema in relazione alla minor ricchezza organolettica del prodotto cucinato, ma sicuramente fornisce una garanzia ulteriore a riprova che nulla “di più” si sia formato durante la cottura dell’alimento.

8 risposte a come funziona la cottura a microonde?

  • LORENZO GUAIA scrive:

    Ho letto l’articolo che sembra molto ben fatto. Come al solito ci si dimentica però che ormai la ricerca ha evidenziato una lunga serie di problemi, relativi alle pesanti trasformazioni chimiche subite dagli alimenti sulle quali non c’è proprio da scherzare o prendere con la solita ironia. Faccio un esempio: dalle proteine, con l’irraggiamento a microonde, si possono ottenere perfino leganti per le materie ceramiche. Se poi qualche lettore ha voglia di “divertirsi” approfondendo meglio la materia, può attingere dagli studi accademici. E’ sufficiente fare la ricerca-web digitando: MICROWAVE UNFOLDING PROTEIN. Il motore Google ne tirerà fuori centinaia, e tutti attestano che il rischio è estremo. Personalmente ho indagato per due anni per sapere la veità; poi ho anche scritto un libro: LE MICROONDE NEL PIATTO. Lorenzo Guaia – divulgatore scientifico

  • Massimiliano scrive:

    C’è un errore nel testo.
    La lunghezza d’onda si calcola dividendo la velocità del suono (diciamo 340m/s) per la frequenza (hz), infatti, se volessimo calcolare la lunghezza d’onda di un diapason che vibra a 440hz facciamo 340:440Hz giusto?
    Nel calcolo della lunghezza d’onda del microonde c’è un errore, 2450 Mhz corrispondono a 2.450.000.000 hz, quindi bisognerebbe rifare 340 : 2.450.000.000 che sono ben molto distanti dai larghi 12 centimetri di lunghezza.
    Considerato che 1mhz corrisponde a 1.000.000 di hz, visto che il calcolo è su hz e non su Mhz, il risultato della lunghezza dovrebbe essere 0,00001225m.
    Il testo è interessante, credo sia doveroso rettificare questo passaggio.

    • chimiSpiega scrive:

      Caro Massimiliano, qui però il contesto è completamente diverso da quello del suono. Le onde sonore sono interpretate come “onde di pressione” in un mezzo, ad esempio nell’aria, quindi le valutazioni che la fisica fa su di esse sono in buona parte diverse da quelle proprie delle onde elettromagnetiche come sono le microonde. Il calcolo che ci hai indicato, che prende le mosse dalla velocità del suono, non può quindi essere applicato nel nostro contesto.
      Grazie comunque per l’attenta lettura e per la segnalazione che ci hai voluto inviare.

      Franco

    • leonello sabatini scrive:

      La velocità non è quella del suono, ma quella della luce, 300.000,00 km/sec.

  • lorenzo guaia scrive:

    Salve. Sono uno scrittore-ricercatore di Padova. Ho letto l’articolo sui forni a microonde. dato che ho effettuato due anni di ricerche su tale argomento, posso dire, e provare che il riscaldamento degli alimenti al microonde non mantiene integre le proprietà nutritive..Tutt’altro: alcune sostanze vengono impoverite, e altre trasformate in composti pericolosi. In effetti, in tutti i laboratori del mondo si utilizzano forni a microonde per trasformare rapidamente le sostanze, ottenendone mineralizzazioni e stravolgimenti delle proprietà in modo molto rapido, contro le ore che servivano con i sistemi tradizionali (solventi e reagenti+riscaldamento classico).
    Dopo due anni di indagine, e test personali al laboratorio, ho pubblicato un ebook (“Le microonde nel piatto” rintracciabile su Amazon) e un cartaceo www.(Ilmiolibro.it) nel quale denuncio che la verità è questa: IL FORNO A MICROONDE PUO’ ESSERE PERICOLOSO.. Sopratutto per i cibi liquidi o semiliquidi.
    Chi ne vuol sapere di più, mi contatti.
    LORENZO GUAIA

    • carmelo pezzella scrive:

      Strana risposta…forse di tipo pubblicitario….proprio per pubblicizzare il proprio libro. Non ho trovato ricerche di fisici, chimici, ricercatori vari che avessero parlato male dei forni a microonde impiegati per la cottura dei cibi. Qualcuno altro può contraddirmi?

  • Salvatore scrive:

    A proposito di forni a microonde vorrei chiedere: se quella sorta di pellicola, che somiglia ad un sottile strato di lanavetro, di forma quadrata e che sta sulla parete destra del forno, si lacera per l’usura, è pericoloso usare il forno?
    Resto in attesa di una risposta. Grazie
    Salvatore Cuoco

    • LORENZO GUAIA scrive:

      La pellicola è un protettivo per non far entrare sporcizia nel tunnel del magnetron. Non dovrebbe lacerarsi, e comunque bisogna fare attenzione.

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