一般认为，食品防腐剂对微生物的抑制作用是通过影响细胞亚结构而实现的，这些亚结构包括细胞壁、细胞膜、与代谢有关的酶、蛋白质合成系统及遗传物质。由于每个亚结构对菌体而言都是必须的，因此食品防腐剂只要作用于其中的一个亚结构便能达到杀菌或抑菌的目的。
在溶液中，弱酸随pH不同在解离和未解离状态间存在动态平衡。在低pH值情况下该类防腐剂有最大抑菌活性，因为此时分子多数处于未电离状态，未电离的有机弱酸分子是亲脂性的，因此可自由透过原生质膜。进入细胞内后，在高pH环境下，分子解离成带电质子和阴离子，不易透过膜而在细胞内蓄积。防腐剂分子不断扩散入细胞直到达到平衡，引起细胞内H+的失控，改变细胞内pH状态及蓄积毒性阴离子，抑制细胞的基础代谢反应，最终达到抑菌目的。
细菌对弱酸的适应性通常是其本身固有的而非诱导产生的。G+菌细胞壁只有肽聚糖层，巨大芽孢杆菌营养细胞的细胞壁可通过30000D的分子，因此，防腐剂极易进入这些细胞内部，即细胞固有的适应性也较弱。G-菌的适应性则较复杂，因为它们具有内外壁，外壁层(脂多糖层)在控制细胞对防腐剂或其他小分子物质的亲和性方面起着很关键的作用。
在很多情况下，细菌也可经诱导产生适应性，如E.coliO157:H7经pH2.0强酸条件处理后诱导其耐酸反应可对苯甲酸产生一定抗性。一些G+菌，如单核细胞增生李斯特菌，在pH5.0温和酸性条件下放置后，可大大增强其在pH3.0时的耐酸性。推测是细胞有一复杂的耐酸防御系统，使其可在低pH值下存活。
真菌也同样会对有机弱酸产生适应性。对酵母的适应性研究表明可能细胞膜上的H+-ATP酶和转移子Pdr12起着重要的作用，它们可分别将细胞内的H+和防腐剂阴离子排出细胞，从而维持细胞正常的新陈代谢。
在乳中发现乳过氧化物酶系统对细菌和真菌都有较强抗菌作用，许多G+和G-菌可以被乳过氧化物酶系统抑制，G-通常比G+更敏感。该系统在氢过氧化物和硫氰酸盐的存在下可发挥最大活性，过去也将过氧化氢直接加入食品中，但由于对VC破坏太大，现在很少直接用于食品，而多用于包装材料的灭菌。 在合适的条件下，过氧化氢可产生活性单氧，它有极强的生物致死作用。另外，在分子氧的不完全还原过程中产生的超氧化自由基，与过氧化氢和痕量金属离子(如Fe2+)协同作用可产生极具杀伤力的羟基自由基。过氧化氢的抑菌效果与使用浓度、环境pH、温度等有关，例如在室温下杀芽孢能力很弱，而在高温时则很有效。过氧化氢对芽孢的杀伤机制还不明确，对真菌和细菌营养细胞的致死性与细胞DNA损伤有关。
细菌和真菌通过多种途径保护自身免受氢过氧化物伤害。许多细菌依靠过氧化氢酶降低过氧化氢毒性，但过氧化氢向细胞内有很高的扩散速率，少量细胞时，细胞自身的过氧化氢酶没有足够的活性来保护细胞，在细胞浓度较高时，过氧化氢酶阳性细胞则可产生足量的酶来保护大多数细胞免受伤害。细菌芽孢对氢过氧化物的耐受性一般认为是源于芽孢形成过程中合成的α/β酸溶性蛋白的存在，它们可保护休眠状态的DNA免受损伤。
酵母细胞有一整套抗氧化防御系统，包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、细胞色素、过氧化物酶、硫氧还蛋白、谷氨酰胺半胱氨酸合成酶等。用低浓度过氧化氢处理后，酵母的许多应激系统会被激活，可保护细胞耐受以后更高浓度的过氧化氢。
食品中常用的螯合剂有:柠檬酸盐、乳酸盐、焦磷酸盐和EDTA等，其防腐作用主要是通过与其它防腐剂协同作用而实现的。对于G-菌，螯合剂起G-外膜渗透剂的作用，EDTA可从G-部分除去含脂多糖的外壁层，还能帮助溶解类脂化合物，特别是脂肪酸，从而增加了其对化学防腐剂的敏感性。对G+菌的抑制作用则主要是由于和金属离子结合。当溶液pH下降时EDTA螯合重金属离子的能力下降，抑菌活性也随之下降。柠檬酸盐由于其Ca螯合活性可抑制分解蛋白质的C.botulinum的生长。对于真菌，EDTA通过螯合Zn可抑制酵母的生长，推测是阻碍了正常细胞壁的合成。
许多小分子有机物有很好的防腐作用，如肉桂酸、对羟基苯甲酸酯等。实际上，有许多抗菌成分是在植物中天然存在的，牛至、丁香、荔枝等中都可提取到有抗菌作用的物质，包括香草酚、阿魏酸、对烯丙基茴香醚、愈创木酚等。这些成分一般为疏水物质，能使细胞膜功能紊乱甚至使细胞膜破裂，最终导致微生物死亡。对苯甲酸、肉桂酸和苯甲醛等定量结构活性相关的研究中发现，由反相HPLC测的亲脂性参数与它们抗单核细胞增生李斯特菌性能有显著关系。Helander等测试香芹酚、麝香草酚、贡蒿萜酮和肉桂醛等对E.coliO157:H7的效果，他们指出麝香草酚和贡蒿萜酮降低E.Coli胞内ATP含量，而同时胞外ATP增加，这可能暗示细胞膜成分已被破坏。 由于许多化合物带浓烈的风味，使其在食品中的应用受到限制，例如洋葱和大蒜中的异硫氰酸酯有较强抗菌作用，其衍生物烯丙基异硫氰酸酯和甲基异硫氰酸酯早已作为杀虫剂在农业上使用了，在食品中则由于其风味问题而妨碍了其应用。对异硫氰酸酯，推测其抗菌活性与通过氧化裂解二硫键钝化细胞外酶有关，而且反应性硫氰酸盐自由基可增加抗菌活性。
关于微生物对这些抗菌成分产生适应性的机制还不很明确，可能是在微生物中存在抗药性泵可以排除进入微生物的防腐物质而保护微生物免受抑制。在G-菌中已知多药抗性蛋白指令系统包括中性化合物泵(EmrAB)及双亲性阴阳离子泵(AcrAB)，在G+金黄色葡萄球菌中NorA多适应性泵负责排出合成的两性分子的阳离子化合物如溴乙啡啶及植物来源的抗生素如黄连素和非洲防己碱。
大多数天然抗菌肽的抑菌作用是由于干扰细胞膜功能，如ceropin和nisin等能在细菌细胞膜上形成电势依赖通道，导致细胞内小分子溢流而使细胞死亡，这些肽的离子通道形成能力是抑制微生物的重要原因。
有的抗菌肽作用的靶结构则为细胞壁。微生物细胞壁对维持微生物细胞生存是特有的和重要的结构，这些结构不出现在人体中，因此是引起微生物失活最理想的目标。从细胞外降解细菌细胞壁的酶，如溶菌酶，已被用作食品防腐剂。溶菌酶水解N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡萄糖胺之间的β-1，4糖苷键，对G+的抗菌活性最强，因为这些细菌细胞壁只有肽聚糖层，容易被水解。 鱼精蛋白的作用机制则是抑制线粒体电子传递系统的一些特定成分，抑制一些与细胞膜有关的新陈代谢过程。它可能是定位在膜表面，与膜中那些涉及营养运输或生物合成系统的蛋白质作用，使这些蛋白质功能受损，从而抑制细胞的新陈代谢而使细胞死亡。 微生物同样会对抗菌肽产生适应性，最主要的原因可能是微生物分泌蛋白酶。推测杆菌对nisin的适应性至少部分是由于其分泌一种可降解nisin的酶，最近又有研究表明细胞质外蛋白酶OmpT是E.coli对鱼精蛋白有适应性的关键。另一个适应性产生原因可能是防止微生物细胞吸收抗菌肽，Dielbandhoseing等认为焙烤酵母的细胞壁蛋白cwp1和cwp2参与酿酒酵母对nisin和合成两亲抗菌肽的适应性。
此外，在与有膜活性抗菌肽的长期接触中，细胞可能改变其膜组成，因为不同膜磷脂组成会导致抗菌肽与细胞膜的亲和性不同，从而使微生物对药物的敏感性发生变化。Verheul等研究发现对nisin有抗性的单核细胞增生李斯特菌菌株ScottA相对于nisin敏感株有不同的膜磷脂组成，nisin抗性菌株膜中两性离子磷脂酰乙醇胺有显著增加，而阴离子二磷酸甘油和心磷脂的含量则降低。
对于作用于细胞壁的抗菌物质，微生物同样也会产生一系列应激反应。经过研究酵母细胞如何处理外界酶或其它环境因素(温度、pH、水分活度)对细胞壁的破坏作用，发现酵母细胞可激活一系列酶反应，以检测细胞壁受到的破坏并将之传输到细胞核，最后增加几丁质合成，促进β-1，3葡聚糖聚合酶(FKS2)的表达，并促进细胞壁蛋白质的合成(如cwplp)。Kapteyn等详述了酿酒酵母的这一系列的应激反应，认为WSC家族的细胞膜定位感受器蛋白质参与激活了该应激反应途径，WSC蛋白本身是应激传感器或只是在信号传输过程中起作用，这个还需要进一步的研究，已知的是如果使WSC蛋白质的胞外部分和参与细胞壁组分构建的酶失活，将会大大增强防腐剂的作用效果。
综上所述，各种防腐剂对微生物有不同的作用机制，分别影响不同的细胞亚结构，但同时微生物本身也会对防腐剂产生一系列应激反应而产生适应性。通常，几种防腐剂协同作用可产生最佳抑菌效果，例如对G-菌，联合应用溶菌酶水解细胞壁、nisin干扰细胞膜以及螯合剂EDTA是很有效的。因此更深入地了解防腐剂在微生物体内的作用机理及微生物的应激反应可帮助我们更有效、更合理地使用防腐剂。虽然在这方面已进行了许多研究，但仍然还有许多未阐明的地方，包括微生物是否死亡、残存、适应环境或生长以及它们机体内发生了什么生理分子反应机制而导致了这些现象。例如，应激反应过程涉及到哪些信号传导系统和那些应激蛋白，这些系统是如何联系的，每个系统包含多少细胞能量。宏观的生物能学参数(生长速率、产量)、微观生物能学参数(培养基利用率、ATP水平、ATP/ADP比率、细胞内氧化还原平衡)及分子在应激反应中的反应仍是刚兴起的研究课题。如果能积累更多的数据，用数学模型来描述微生物生长和死亡，则会比现在食品工业中实际应用的经验性知识更为科学、准确，对防腐剂的开发和应用也将有更为科学的指导。
