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发酵食品工艺学 —— 主讲:陈晓红 第一章 绪 论  第一节、什么是发酵、酿造? 第一节  第二节、发酵技术的微生物技术发展史 第二节  第三节、发酵工业的工程技术发展史 第三节  第四节、发酵食品的渊源及其文化内涵 第四节  第五节、发酵与酿造的研究对象 第五节  第六节、食品发酵与酿造的特点.

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2 发酵食品工艺学 —— 主讲:陈晓红

3 第一章 绪 论  第一节、什么是发酵、酿造? 第一节  第二节、发酵技术的微生物技术发展史 第二节  第三节、发酵工业的工程技术发展史 第三节  第四节、发酵食品的渊源及其文化内涵 第四节  第五节、发酵与酿造的研究对象 第五节  第六节、食品发酵与酿造的特点 第六节  第七节、发酵与酿造工程中常用技术  第七节、食品发酵与酿造发展趋势及研究热点 第七节

4 发酵的英文 Fermentation 是从拉丁语 ferver 即 “ 翻腾 ” 、 “ 沸涌 ” 、 “ 发泡 ” 而来;因为发酵 有鼓泡和类似翻腾、沸涌的现象。如中国的黄酒、 欧洲的 beer 就以起泡现象作为判断发酵进程的标 志。 发酵的英文 Fermentation 是从拉丁语 ferver 即 “ 翻腾 ” 、 “ 沸涌 ” 、 “ 发泡 ” 而来;因为发酵 有鼓泡和类似翻腾、沸涌的现象。如中国的黄酒、 欧洲的 beer 就以起泡现象作为判断发酵进程的标 志。 根据以往的观念,人们通常把食品发酵作为整个 发酵工业的分支。 根据以往的观念,人们通常把食品发酵作为整个 发酵工业的分支。一、什么是发酵、酿造 第一节 什么是发酵、酿造 第一章 绪 论

5 广义 —— 通过微生物的培养使某种特定代谢产 物或菌体本身大量积累的过程。 广义 —— 通过微生物的培养使某种特定代谢产 物或菌体本身大量积累的过程。 狭义 —— 厌氧微生物或兼性厌氧微生物在无氧 条件下进行能量代谢并获得能量的一种方式。 狭义 —— 厌氧微生物或兼性厌氧微生物在无氧 条件下进行能量代谢并获得能量的一种方式。 发酵工业:(巴斯德)经纯种培养和提炼精制 获得的成分单纯、无风味要求的产品的生产过 程叫发酵工业。如酒精、抗生素、柠檬酸、氨 基酸、酶、维生素、某些色素等。 发酵工业:(巴斯德)经纯种培养和提炼精制 获得的成分单纯、无风味要求的产品的生产过 程叫发酵工业。如酒精、抗生素、柠檬酸、氨 基酸、酶、维生素、某些色素等。 1 、发酵及发酵工业 第一节 什么是发酵、酿造 第一章 绪 论

6 2 、 酿造 (brewing) 和酿造工 业 酿造 (brewing) :我国人们对对一些特定产 品发酵生产的特殊称法,是未知的混合微 生物区系参与的一种自然发酵。 酿造 (brewing) :我国人们对对一些特定产 品发酵生产的特殊称法,是未知的混合微 生物区系参与的一种自然发酵。 酿造工业:经自然培养、不需提炼精制、 产品由复杂成分构成并对风味有特殊要求 的食品或调味品的生产过程。如黄酒、白 酒、清酒、葡萄酒、酱油、醋、腐乳、豆 豉、面酱等。 酿造工业:经自然培养、不需提炼精制、 产品由复杂成分构成并对风味有特殊要求 的食品或调味品的生产过程。如黄酒、白 酒、清酒、葡萄酒、酱油、醋、腐乳、豆 豉、面酱等。

7 1676 年 列文虎克 ( Leewenhoch ) 列文虎克 ( Leewenhoch ) 列文虎克 ( Leewenhoch ) 1836—1837 年 Larkutzing Larkutzing 1856—1857 年 Pasteur Pasteur 1870 年 Pasteur Pasteur 1880 年 科赫(Robert Koch) 科赫(Robert Koch) 科赫(Robert Koch) 1897 年, Buchner(布赫纳) Buchner(布赫纳) Buchner(布赫纳) 1928 年, Fleming Fleming 1940 年, Florery 和 Chain Florery 和 Chain Florery 和 Chain 1945 年,抗生素工业 抗生素工业 二、发酵工业的微生物技术发展史 第二节、微生物技术发展史 第一章 绪 论

8 列文虎克( Leewenhoch, ) —— 微生物形态学发展阶段  荷兰业余科 学家, 1676 年, 一生 制作了 419 台 显微镜;  荷兰业余科 学家, 1676 年, 用自磨镜片创 造了一架能放 大 266 倍的原 始显微镜一生 制作了 419 台 显微镜;  发表论文 400 余篇, 375 篇 寄往英国皇家 学会发表。 第二节、微生物技术发展史 第一章 绪 论

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10 Anthnoy van Leeuwenhoek 与他的显微镜 Anthnoy van Leeuwenhoek 1684 年寄给皇家协会信的部 分内容

11 Larkutzing  年 Larkutzing 发 现在啤酒的发酵中存在活的 生物体,但并未发现发酵与 微生物的关系。 第二节、微生物技术发展史 第一章 绪 论

12 不同时期观察到的酵母菌细胞结构酵母菌细胞结构

13 细菌学(巴斯德、科赫)巴斯德科赫 外科消毒术外科消毒术( Lister , 1865 )和乳酸菌的分离乳酸菌的分离 根瘤菌等土壤微生物的研究( M·W 贝, C·H 维) 无酵母菌压汁酶功能的发现( E.Buchner,1897) 化学药剂和抗生素发现和临床应用( )抗生素发现 酿造技术日趋完美 Cncnc-micro 生理学发展阶段代表人物和重要事件代表人物和重要事件 微生物生理学发展阶段

14 彻底否定了自然发生说 证实发酵由微生物引起 巴斯德的功绩 免疫学 — 预防接种 发明巴氏消毒法

15 无菌营养液出现微生物 无菌营养液无生命出现 加热 无菌营养液无生命出现 巴 斯 德 的 雁颈瓶实验

16 结论  发酵是由微生物进行 的一种化学变化,不 同类型的发酵是由形 态可以区别的各种特 殊的微生物所引起的。 年, Pasteur 发 现了微生物之间有相 互抑制的作用。即拮 抗作用。 3. 其间 1804 年,法国 厨师阿卑特 ( Appert )发明了 瓶装罐头) 第二节、微生物技术发展史 第一章 绪 论

17 巴斯德发现免疫现象 巴斯德发现免疫现象 ↑ 动物实验 ↓ 人体实验 几星期后 o C 下培养 的老龄炭疽菌 获免疫力 37 o C 下培养 的新鲜炭疽菌 病犬延髓(几代减毒) 被疯狗严重咬伤的 9 岁男童

18 证实炭疽病因 — 炭疽杆菌 发现结核病原菌 — 结核杆菌 科赫法则 发明培养基并用其纯化微生 物等一系列研究方法的创立方法的创立

19 划线法划线法获得单菌落 科赫定理科赫定理图示 单菌落

20 结论 1880 年,发现可以通过稀释把多种微生物分离开 来,建立了单种微生物的分离和纯培养技术。 1880 年,发现可以通过稀释把多种微生物分离开 来,建立了单种微生物的分离和纯培养技术。 建立了研究的微生物一系列方法,把早年在马铃 薯块上的培养技术改为明胶平板( 1881 )和 琼脂 平板( 1882 ) 建立了研究的微生物一系列方法,把早年在马铃 薯块上的培养技术改为明胶平板( 1881 )和 琼脂 平板( 1882 ) 显微镜技术:包括细菌鞭毛在内的许多染色方法、 悬滴培养法以及显微摄影技术。 显微镜技术:包括细菌鞭毛在内的许多染色方法、 悬滴培养法以及显微摄影技术。 利用平板分离方法找到并分离许多传染病的病源 菌(炭疽、结核、链球、) 利用平板分离方法找到并分离许多传染病的病源 菌(炭疽、结核、链球、) 1884 年提出了科赫法则( Koch’s ostulates ): 病原微生物存在与病体而非健康体;可纯培养; 纯培养物接种后染病;可重新分离再培养。 1884 年提出了科赫法则( Koch’s ostulates ): 病原微生物存在与病体而非健康体;可纯培养; 纯培养物接种后染病;可重新分离再培养。

21 奠基人 巴斯德 · 路易斯 ( ) 微生物奠基人 第二节、微生物技术发展史 第一章 绪 论 Koch,robert ( ) 细菌学奠基人

22 (Joseph Lister,1827~1912) 首创用石 炭酸喷洒手术室和煮沸手术用具以 防术后感染,为防腐、消毒,以及 无菌操作奠定了基础。消毒

23 1878 年,李斯特分离乳酸链球分离乳酸链球 菌菌时用注射器和酒杯培养装置

24 Buchner (布赫纳) 1897年, Buchner (布 赫纳)阐明了发酵的化学 本质。即发酵是由酶引起 的一类化学反应。 1897年, Buchner (布 赫纳)阐明了发酵的化学 本质。即发酵是由酶引起 的一类化学反应。 实验:酵母菌细胞用石英砂磨碎 制成酵母汁 (应用于医学)+ 白 砂糖(防腐) 意外发现发酵 这是无生物细胞体系发酵的 最初例子。 第二节、微生物技术发展史 第一章 绪 论

25 Fleming 1928年, Fleming 发 现了青霉素, 开创了好气 性发酵工程, 建立了通风 搅拌技术。 弗莱明 (1881 ~ 1995) 英国细菌学家 1928 年, Fleming 将其 命名为:青霉素 第二节、微生物技术发展史 第一章 绪 论

26 霉菌菌落周围出现抑制萄 葡球菌生长的抑制现象 产黄青霉菌落 细菌生长 抑制区域 正常细菌 生长区域 --- 抗生素的发现 抗生素的发现

27  1940年, Florery 和 Chain :  碘黄青霉基中得到了纯品青霉素,继而放 线菌 —— 链霉素,金、土、卡那、红、新、 庆大 ……..等相继发现。  1984年达9000多种。  1945年,抗生素工业(发酵工业正式兴起) Florery 和 Chain 第二节、微生物技术发展史 第一章 绪 论

28 J.D.Waston, H.F.C.Crick 发现 DNA 双螺旋模型 分子生物学发展阶段(成熟期)

29 Watson 和 Crick  1956年, Watson 和 Crick 发现DNA双 螺旋结构,为微生 物遗传学及育种技 术的研究带来极大 发展。 第二节、微生物技术发展史 第一章 绪 论

30 分子生物学发展阶段分子生物学发展阶段(成熟期)特点 微生物学成为十分热门的前沿基础学科 微生物成为生物学研究中的最主要对象 生物工程中,发酵工程是最成熟的应用技术 Cncnc-micro

31 氨基酸生产菌种  1956年,日本的士下祝郎利用发酵 法制造出了Glu。  至今22种氨基酸用发酵法生产,其 中18种直接发酵,4种用酶转化法 生产。 第二节、微生物技术发展史 第一章 绪 论

32 第一个转折点 —— 微生物纯种分离培养技 术建立  自然发酵时期:知其然而不知其所以 然,如厌气性 —— 酒类,好气性 —— 醋。  微生物纯种分离培养技术,开创了人 为控制微生物时代,减少了腐败现象, 实现了无菌操作;发明了简便的密封 式发酵罐;人工控制条件,提高发酵 效率,稳定产品质量。 三、发酵工业的工程技术发展史 第四节 工程技术发展史 第一章 绪 论

33 20世纪40年代,由于二战暴发,刺激了抗生素发 酵工业的兴起,成功建立起深层通气培养法及整 套工艺,包括向发酵罐内通入大量无菌空气、通 过搅拌使空气分布均匀、培养基的灭菌和无菌接 种 、通氧量、pH、培养物供给等均已解决,刺 激了有机酸、酶制剂、维生素、激素等的大规模 生产。 20世纪40年代,由于二战暴发,刺激了抗生素发 酵工业的兴起,成功建立起深层通气培养法及整 套工艺,包括向发酵罐内通入大量无菌空气、通 过搅拌使空气分布均匀、培养基的灭菌和无菌接 种 、通氧量、pH、培养物供给等均已解决,刺 激了有机酸、酶制剂、维生素、激素等的大规模 生产。第二个转折点 —— 通气搅拌的好氧发酵工程技术建立(深层液态发酵) 第四节 工程技术发展史 第一章 绪 论

34  以动态生物化学和遗传学为基础,将微 生物进行人工诱变,选育高产菌株,实 现有选择地大量生产目的产物。该技术 先在氨基酸生产上获得成功,而后在核 苷酸、有机酸、抗生素等其它产品中得 到应用。 第三个转折点 —— 人工诱变育种和代谢控制发酵工程技术的建立 第四节 工程技术发展史 第一章 绪 论

35 发酵罐的大型化、多样化、连续化和自动化方 面有了极大发展。发酵过程的基本参数包括T、 Ph、罐压、溶O2 、Eh、空气流量、泡沫、CO2 含量等均可自动记录和控制。(在线测试探头 等) 发酵罐的大型化、多样化、连续化和自动化方 面有了极大发展。发酵过程的基本参数包括T、 Ph、罐压、溶O2 、Eh、空气流量、泡沫、CO2 含量等均可自动记录和控制。(在线测试探头 等) —— 发酵与酿造技术的第四个转折点 —— 发酵与酿造技术的第四个转折点第四个转折点 —— 发酵动力学、发酵的连续化自动化工程技术的建立 第四节 工程技术发展史 第一章 绪 论

36 针对单纯发酵法的缺陷,利用发酵法生产前 体,用化学合成法得到终产品或反之。如 Amyno法生产酱油。 针对单纯发酵法的缺陷,利用发酵法生产前 体,用化学合成法得到终产品或反之。如 Amyno法生产酱油。 —— 发酵与酿造技术的 第五个转折点 第五个转折点 —— 微生物生物合成和化学反应合成相结合工程 技术的建立 —— 微生物生物合成和化学反应合成相结合工程 技术的建立 第四节 工程技术发展史 第一章 绪 论

37  DNA重组技术大大推动了发酵与酿造技术 的发展  细胞融合技术: 基因体外重组与克隆的工程菌 株构建  生物反应器: 反应罐等设备、昆虫躯体、动物 细胞乳腺、植物细胞的根茎果实。 DNA 重组技术 第四节 工程技术发展史 第一章 绪 论

38  发酵是一门古老而又现代的技术,结合了 神秘的传统、古老的文化和变化无穷的生 物技术。  文化底蕴深厚、产品形态多种多样、技术 手段推陈出新、理论研究和技术创新永无 止境。 四、发酵食品的渊源及其文化内涵 第三节 渊源及其文化内涵 第一章 绪 论

39  最早的发酵产品据记载起源与5000BC。据记载最早的 发酵食品应是酒类,通常认为是wine,因为大自然中具 备了野生果类和酵母菌,条件适宜情况下即行发酵。 在神话传说中亦有猿猴酿酒之说。由于自然界中资源 的多样性(F、M),便有了多种多样的发酵食品。 4000BC —— Beer,至古埃及即出现了麦芽糖化 。 4000BC —— Beer,至古埃及即出现了麦芽糖化 。  5000~6000BC —— wine、黄酒、白酒、Cheese  4000BC —— Beer,至古埃及即出现了麦芽糖化 。  (酱油、调味品)  白酒:农业社会粮食节余,生霉、发酵、蒸馏而得) 古 老: 第三节 渊源及其文化内涵 第一章 绪 论

40 古老的发酵食品自产生以来,长时间内停留在自然酿造 阶段。即知其然而不知其所以然,通常以经验掌握。由 于节气、环境的变化即决定了产品的成败,因此食品酿 造甚至被赋予很多神秘色彩,甚至出现了对曲的顶礼膜 拜,与一些祭祀活动也连起来。由于其发酵的机理一直 未能充分揭示,因此发酵技术也迟迟未能进一步发扬光 大和合理调控。直到巴斯德、科赫等人的工作成果推动 了微生物发酵及工艺调控的推陈出新。 古老的发酵食品自产生以来,长时间内停留在自然酿造 阶段。即知其然而不知其所以然,通常以经验掌握。由 于节气、环境的变化即决定了产品的成败,因此食品酿 造甚至被赋予很多神秘色彩,甚至出现了对曲的顶礼膜 拜,与一些祭祀活动也连起来。由于其发酵的机理一直 未能充分揭示,因此发酵技术也迟迟未能进一步发扬光 大和合理调控。直到巴斯德、科赫等人的工作成果推动 了微生物发酵及工艺调控的推陈出新。 现 代: 第三节 渊源及其文化内涵 第一章 绪 论

41 尽管如此,食品发酵与酿造仍然有许多难 以解决的实际问题,例如许多工程方面的 研究经验还不足,还没有归纳为系统的理 论,许多产品的发酵过程中的问题尚难以 解决,很多问题有待研究探讨。 尽管如此,食品发酵与酿造仍然有许多难 以解决的实际问题,例如许多工程方面的 研究经验还不足,还没有归纳为系统的理 论,许多产品的发酵过程中的问题尚难以 解决,很多问题有待研究探讨。难以解决的实际问题 第三节 渊源及其文化内涵 第一章 绪 论

42  丝状真菌的发酵(霉菌、放线菌):由于没有完善的 理论指导,因而还没有满意的设计和放大方法,而霉菌、 放线菌又是发酵工业中占重要地位的菌类。  连续发酵的理论虽然研究很多,但许多生产实际问题仍 然未能解决,由于菌种的突变、微生物的复杂性和多样 性以及试验工艺条件的不稳定性和局限性等问题,除了 酵母、啤酒、酒精、丙酮、丁醇、葡萄糖酸的发酵和活 性淀粉的处理采用连续发酵外,大规模生产上极少采用。 难以解决的实际问题 第三节 渊源及其文化内涵 第一章 绪 论

43  关于酒曲, “ 千年酒窖万年糟 ” 之说,引起了国 内外研究者的浓厚兴趣。  与许多民族文化融为一体。  英国的 Whisky  荷兰的 Cheese  俄国的 黑面包 (大脸面包)  德国的 啤酒  中国的 白酒  日本的 清酒  法国的 香槟 文化内涵 : 第三节 渊源及其文化内涵 第一章 绪 论

44  中国的酒文化,出现了各时代以酒为载体的诗 词歌赋 “ 借酒吟诗 ” 、 “ 以诗言志 ” 。  陶渊明的诗几乎诗诗有酒 —— 《桃花源记》  李白1050首诗中170首 —— 借酒诗狂  杜甫1400余首诗中300余首 —— 借酒消愁  欧阳修的《醉翁亭记》 ——“ 醉翁 ” (琅琊山)  工艺方面:踩曲边踏边唱、《红高粱》、日本 的酒曲听音乐即 “ 陈化 ” 等 文化内涵: 第三节 渊源及其文化内涵 第一章 绪 论

45 1、按产业部门来分:  酿酒工业  传统酿造工业  有机酸发酵工业  酶制剂发酵工业:淀粉酶中95%以上为霉菌、细菌淀粉酶  氨基酸发酵工业  功能性食品生产工业:低聚糖、真菌多糖、红曲等  食品添加剂生产工业:黄原胶、海藻糖  菌体制造工业:单细胞蛋白、酵母等  维生素发酵工业:Vc、VB2、VB12  核苷酸发酵工业:ATP、IMP、GMP 五、发酵与酿造的研究对象 第五节 研究对象 第一章 绪 论

46 2 、按产品性质来分:  代谢产物发酵:产品包括初级代谢产物、中间代 谢产物、次级代谢产物。 1、初级代谢产物:微生物生长不同阶段产生不 同的代谢产物,对数生长期形成的产物往往是细 胞自身生长所必需的,如氨基酸、核苷酸、蛋白 质、脂类、糖类等。 1、初级代谢产物:微生物生长不同阶段产生不 同的代谢产物,对数生长期形成的产物往往是细 胞自身生长所必需的,如氨基酸、核苷酸、蛋白 质、脂类、糖类等。 2、次级代谢产物:微生物细胞生长进入稳定期, 有些微生物合成的在对数生长期不能合成的、对 细胞代谢没有明显意义但具有明显优势的化合物。 2、次级代谢产物:微生物细胞生长进入稳定期, 有些微生物合成的在对数生长期不能合成的、对 细胞代谢没有明显意义但具有明显优势的化合物。

47  酶制剂发酵:1894年,日本高峰(Takanin)利用霉菌→高 峰淀粉E (胞内或胞外)→ E分离提取→E制剂→ 固定 化酶 (中国的曲酒可以看成是复合酶制剂的生产)。  生物转化发酵: 生物转化是指利用生物细胞中的一种或 多种酶,作用于一些化合物的特定部位(基团),使它 转变成结构相类似但具有更大经济价值化合物的生化反 应。其特点是:反应特异性强。如:LA → CLA  SCP、藻类、食用菌类(冬虫夏草、蜜环菌、灵芝、茯苓、 香菇、云芝) 2 、按产品性质来分: 第五节 研究对象 第一章 绪 论

48 与化学工业相比,食品发酵与酿造的特点:  安全简单  原料广泛  反应专一  代谢多样  易受污染  菌种选育 六、食品发酵与酿造的特点 第六节 食品发酵与酿造的特点 第六节 食品发酵与酿造的特点 第一章 绪 论

49 1、采用多种原料,且多以淀粉质原料为主。  植物性原料:  麦 :beer、bread、格瓦斯(Kowas)  豆: 酱油、豆豉、腐乳(ToFo)、Temph、纳豆  水果:酒、果醋  菜:Kimichi(朝鲜)  茶叶:红茶、茶菌(海宝,醋酸菌、酵母、乳酸菌+ 红茶水+糖)  动物性原料:  乳:酸奶、Cheese、 Kurmiss、 Ketir  肉:香肠、沙拉米(Salami) 等 我国发酵食品的工艺特色: 第六节 食品发酵与酿造的特点 第六节 食品发酵与酿造的特点 第一章 绪 论

50 2、多菌种混合发酵,且多以霉菌为主的微生 物群。(国外多以细菌、乳酸菌) 3、工艺复杂、多用曲:董酒生产制的曲用72 味中药。曲(Koji) 4、多为固态发酵:醅、醪 我国发酵食品的工艺特色: 第六节 食品发酵与酿造的特点 第六节 食品发酵与酿造的特点 第一章 绪 论

51  生物技术的四大技术体系之一  发酵技术的 两大核心 :  生物催化剂(其最有效、稳定、方便 的生物催化剂形式是整体生物细胞, 目前最广泛采用的是微生物细胞)  生物反应系统 七、食品发酵与酿造与现代生物技术的关系 第六节 食品发酵与酿造的特点 第六节 食品发酵与酿造的特点 第一章 绪 论

52 八、发酵与酿造工程中常用技术 微生物技术 微生物技术 制片染色和显微技术、无菌操作技术、纯 种分离和培养技术、合成培养基技术、育 种技术、深层液态发酵技术、菌种保藏技 术 制片染色和显微技术、无菌操作技术、纯 种分离和培养技术、合成培养基技术、育 种技术、深层液态发酵技术、菌种保藏技 术 化学技术 化学技术 产物分离技术、提取精制技术 产物分离技术、提取精制技术

53  利用基因工程技术有选择地创造物种(新型微 生物资源)。  固定化酶和固定化细胞的生产和应用。  生物传感器的研究与设计,发展发酵与酿造的 过程控制技术。  生物代谢产物的分离提取和纯化技术  大规模的连续发酵工艺的建设和优化。 九、食品发酵与酿造发展趋势及研究热点 第七节、发展趋势及研究热点 第七节、发展趋势及研究热点 第一章 绪 论

54  1972年,美国 Berg 和 Jackson 等人将猿猴病毒 基因组SV40DNA 、λ噬菌体的Gene及Ecoli半 乳糖探纵子在体外重组获得成功。人们的第一 反应是禁止。(可能为自然界创造一个不可预 知的危险物种,导致人类灭顶之灾。)  安全可靠性 (分子医学:基因治疗免疫缺陷症 1990,1991人类基因组) 九、食品发酵与酿造发展趋势及研究热点 第七节、发展趋势及研究热点 第七节、发展趋势及研究热点 第一章 绪 论


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