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本文以食源性酵母菌和枯草芽孢杆菌内生孢子为研究对象，综合采用微生物计量学、生物物理学、化学计量学、原子力显微成像技术和荧光标记成像法的相关科学原理和工程技术手段，集中开展了高压脉冲电场非热灭菌工艺和灭菌机制的研究。主要研究内容、结果和结论如下：
(1)研究了食源性微生物在高压脉冲电场作用下的微观生物物理特性，初步完成多物理场作用下单个微生物受损细胞的表征。1）引入原子力显微镜成像技术研究食源性微生物在高压脉冲电场作用下形态和电学性质的变化。以酵母菌为研究对象，发现其形态主要为椭球型，部分呈出芽状态。酵母菌细胞高度在200-300nm，长径和短径在1-10μm。随着处理强度的升高，酵母菌表面更为粗糙，初步认定更多的细胞发生了电穿孔；2）以碘化丙啶作为研究微生物细胞膜通透性的荧光探针，采用流式细胞术对处理后的酵母菌进行分类分析，结果表明随着处理强度的增大，更多的细胞电穿孔致死。3）定义25kV/cm高压脉冲电场处理150μs的微生物为100%电穿孔程度，通过荧光分光光度计定量分析了荧光强度，完成了微生物电穿孔程度与荧光强度关系的标准曲线的绘制；4）采用荧光标记成像法研究了微生物在高压脉冲电场作用下的电穿孔程度，结果表明提高电场强度和增加处理时间均可使细胞通透性增加。上述研究从生物物理特性的角度初步完成了微生物在高压脉冲电场作用下单个受损细胞的表征。
(2)研究了液体食品关键参数对高压脉冲电场作用下食源性微生物灭菌效率的影响，重点研究了液体电导率对高压脉冲电场灭菌效率的影响并研究了相关机理。1）灭菌实验以食源性酵母菌为处理对象，以磷酸盐缓冲液代替真实食品体系，设置液体电导率为1000-3000μS/cm。结果表明灭菌效率在电导率为2000μS/cm时存在一个明显的峰值，在其他的电导率水平中，灭菌效率随电导率的升高而降低。2）ECM830电穿孔系统的输出脉冲存在比较明显的下降沿，而上升沿接近理想的矩形波脉冲。随着液体电导率的升高，脉冲下降沿逐渐减小，即脉冲电源在高电导率环境中倾向于输出更为理想的矩形波脉冲。液体电导率对脉冲幅值的影响并不显著。3）绘制灭菌效率与脉冲输入能量之间的关系，发现液体电导率对输入功率的影响并非影响灭菌效率的主要原因。研究了液体电导率对处理过程中温升的影响，发现高电导率的液体温升更为显著，更易发生处理室击穿现象。4）进一步采用流式细胞术研究不同电导率环境下高压脉冲电场对酵母菌通透性的影响。实验结果表明，随着液体电导率的升高，吸收碘化丙啶的酵母菌数量增加，这种现象说明更多的细胞发生了电穿孔。因此得出结论，高电导率的环境中细胞更易发生电穿孔，而电导率对高压脉冲电场处理设的影响，主要是对电路系统的影响和处理室能量密度的影响，使灭菌实验呈现不同的趋势。
(3)研究了用于预测高压脉冲电场灭菌效率的动力学模型。对高压脉冲电场非热加工技术进行风险评估。1）对比研究了一阶线性模型和Weibull模型对灭菌曲线的拟合优度。结果表明，在电场强度为5.0和5.5kV/cm的情况下，Weibull模型的拟合效果比一阶线性模型要好，灭菌曲线表现为凹函数，拟合优度最高能达到0.984。这种拖尾现象也符合大部分非热加工技术的灭菌规律。在电场强度为6.0kV/cm时，灭菌曲线表现为比较明显的凸函数。在这种情况下，Weibull模型不再适合预测高压脉冲电场的灭菌效果。
(4)研究了超声波辅助的高压脉冲电场灭菌技术对Bacillus subtilis芽孢的灭菌效应。采用电穿孔系统和电极杯处理室，输入较低的电压即可产生高强度的电场。结果表明，常温下高压脉冲电场处理对孢子的灭菌效率较小，超声波的灭菌效率能达到1-2个对数级。超声波对高压脉冲电场灭菌技术具有显著的辅助效应。
(1)研究了食源性微生物在高压脉冲电场作用下的微观生物物理特性，初步完成多物理场作用下单个微生物受损细胞的表征。1）引入原子力显微镜成像技术研究食源性微生物在高压脉冲电场作用下形态和电学性质的变化。以酵母菌为研究对象，发现其形态主要为椭球型，部分呈出芽状态。酵母菌细胞高度在200-300nm，长径和短径在1-10μm。随着处理强度的升高，酵母菌表面更为粗糙，初步认定更多的细胞发生了电穿孔；2）以碘化丙啶作为研究微生物细胞膜通透性的荧光探针，采用流式细胞术对处理后的酵母菌进行分类分析，结果表明随着处理强度的增大，更多的细胞电穿孔致死。3）定义25kV/cm高压脉冲电场处理150μs的微生物为100%电穿孔程度，通过荧光分光光度计定量分析了荧光强度，完成了微生物电穿孔程度与荧光强度关系的标准曲线的绘制；4）采用荧光标记成像法研究了微生物在高压脉冲电场作用下的电穿孔程度，结果表明提高电场强度和增加处理时间均可使细胞通透性增加。上述研究从生物物理特性的角度初步完成了微生物在高压脉冲电场作用下单个受损细胞的表征。
(2)研究了液体食品关键参数对高压脉冲电场作用下食源性微生物灭菌效率的影响，重点研究了液体电导率对高压脉冲电场灭菌效率的影响并研究了相关机理。1）灭菌实验以食源性酵母菌为处理对象，以磷酸盐缓冲液代替真实食品体系，设置液体电导率为1000-3000μS/cm。结果表明灭菌效率在电导率为2000μS/cm时存在一个明显的峰值，在其他的电导率水平中，灭菌效率随电导率的升高而降低。2）ECM830电穿孔系统的输出脉冲存在比较明显的下降沿，而上升沿接近理想的矩形波脉冲。随着液体电导率的升高，脉冲下降沿逐渐减小，即脉冲电源在高电导率环境中倾向于输出更为理想的矩形波脉冲。液体电导率对脉冲幅值的影响并不显著。3）绘制灭菌效率与脉冲输入能量之间的关系，发现液体电导率对输入功率的影响并非影响灭菌效率的主要原因。研究了液体电导率对处理过程中温升的影响，发现高电导率的液体温升更为显著，更易发生处理室击穿现象。4）进一步采用流式细胞术研究不同电导率环境下高压脉冲电场对酵母菌通透性的影响。实验结果表明，随着液体电导率的升高，吸收碘化丙啶的酵母菌数量增加，这种现象说明更多的细胞发生了电穿孔。因此得出结论，高电导率的环境中细胞更易发生电穿孔，而电导率对高压脉冲电场处理设的影响，主要是对电路系统的影响和处理室能量密度的影响，使灭菌实验呈现不同的趋势。
(3)研究了用于预测高压脉冲电场灭菌效率的动力学模型。对高压脉冲电场非热加工技术进行风险评估。1）对比研究了一阶线性模型和Weibull模型对灭菌曲线的拟合优度。结果表明，在电场强度为5.0和5.5kV/cm的情况下，Weibull模型的拟合效果比一阶线性模型要好，灭菌曲线表现为凹函数，拟合优度最高能达到0.984。这种拖尾现象也符合大部分非热加工技术的灭菌规律。在电场强度为6.0kV/cm时，灭菌曲线表现为比较明显的凸函数。在这种情况下，Weibull模型不再适合预测高压脉冲电场的灭菌效果。
(4)研究了超声波辅助的高压脉冲电场灭菌技术对Bacillus subtilis芽孢的灭菌效应。采用电穿孔系统和电极杯处理室，输入较低的电压即可产生高强度的电场。结果表明，常温下高压脉冲电场处理对孢子的灭菌效率较小，超声波的灭菌效率能达到1-2个对数级。超声波对高压脉冲电场灭菌技术具有显著的辅助效应。