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高压脉冲电场(Pulsed electric fields,PEF)技术的电穿孔效应可以使生物膜上出现穿孔,导致其电导率和渗透性的变化,进而在较低的温度下对食品中的微生物进行杀灭并保持食品原有风味。为有效杀灭微生物,PEF技术需要较高的电场强度,但随着电场强度的增加,特别是当被处理食品电导率较高时,流经处理室的电流增大,一方面会由于电流热效应而使处理室温度升高,另一方面处理室内的电化学反应强度也会随之增加,甚至发生气泡击穿现象。这一系列副作用不仅影响食品品质,还会对PEF系统造成损害。针对上述问题,本论文首先基于透明的处理室研究了在较高的电场强度下气泡击穿过程以及气泡的形成的机理。研究发现随着电场强度的增加,气泡数量和大小逐渐增加,处理室内也从局部放电(20kV/cm-23.3kV/cm)发展到完全击穿(>23.3kV/cm)。此外局部放电和气泡产生位置主要分布在有效处理区域两端(电场畸变区域),且随着被处理溶液电导率的增加,总体产气量增加,氢气体积占比也增加(1.35%-12.35%)。因此为了控制气泡的产生,除了应该避免产生局部的温度升高,还应减小流过处理室的电流,限制处理室内的电化学反应。基于上述处理室气泡击穿机理的探究,本文研究了超声辅助的高压脉冲电场技术来实现在中等电场强度(12kV/cm)下对微生物进行有效杀灭。发现联合超声波(US)和PEF对黄酒中酸败菌的杀菌效果有加和效应,即US-PEF的灭菌率(3.48logCFU/mL)大于单独US(0.76 logCFU/mL)和PEF(2.88 logCFU/mL)处理后的灭菌率。此外通过显微观察发现两种技术联合处理的细胞其破坏程度比单独处理的细胞被破坏得更为严重。随后通过对该技术对黄酒品质的影响评估,发现其几乎不影响黄酒的常规理化指标,对酒体颜色的影响也较小,但会造成大部分黄酒挥发性风味物质的减少,同时由此而发生的电极腐蚀现象会增加金属离子(Fe,Cr,Ni)含量。而为了限制处理室内化学反应并克服电极腐蚀,本文设计了一种无电解的微流控电穿孔(Non-electrolyticmicroelctroporation,NEME)芯片,即在传统叉指电极上覆盖一层较薄的介电质层,隔离溶液与电极的同时增加处理室的阻抗。通过使用有限元分析软件分析了几何参数,材料特性以及输入电压对NEME芯片性能(最大电场强度||E||max和电场强度大于1 kV/cm的有效电穿孔区域面积A1000)的影响,发现理想的介电质材料应该有较高的介电质常数和较高的击穿场强,且在一定范围内,当使用的介电质材料介电常数越大,交流电频率越高,电极间距越小,溶液电导率越小,则芯片的||E||max越强,A1000越大,直至饱和。随后本文分析了流过NEME芯片表面的微生物粒子运动轨迹,发现介电泳力和电穿孔现象可以在芯片上同时发生并可用施加的交变电场频率进行控制。这一现象可以广泛应用于生物技术和医学中,例如细胞的分离,对细胞的选择性杀灭,或是从多种细胞混合液中对特定的细胞进行分离和转染。