在食品、藥品以及生物體的冷凍干燥和貯藏過程中，很多因素（例如，化學成分、凍結(jié)速率、凍結(jié)和脫水應(yīng)力、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、干燥固體中剩余水分、貯藏環(huán)境的溫度和濕度等）都會影響其中活性組分的穩(wěn)定性甚至會導(dǎo)致失活。

大量的實驗研究表明，除了一些食品、人血漿、牛奶等少數(shù)物料可以直接冷凍干燥外；大多數(shù)的藥品和生物制品，都需要添加合適的冷凍干燥保護劑和添加劑，配制成混合液后，才能進行有效的冷凍干燥和貯藏。 

在生物制品的冷凍干燥過程中，主要有三種效應(yīng)會導(dǎo)致生物制品中活性組分的變性：低溫效應(yīng)、凍結(jié)效應(yīng)和脫水效應(yīng)。

低溫效應(yīng)

生物制品中活性組分在降溫與復(fù)溫過程的一定溫度范圍內(nèi)會發(fā)生變性。如對卵清蛋白(ovalbumin)的研究發(fā)現(xiàn)，在-10℃~-40℃之間，其活性顯著降低，而繼續(xù)降溫到在-192℃，活性幾乎沒有變化。 

凍結(jié)效應(yīng)

包括離子濃度的增加、冰晶的形成與生長、pH值變化以及相分離等 

（1）在生物制品的凍結(jié)過程中，不斷結(jié)晶會導(dǎo)致溶液的濃度快速升高。小分子糖在最大凍結(jié)濃縮基質(zhì)中的計算濃度高達80%。當溶液濃度發(fā)生變化時，離子濃度增加，促進了化學反應(yīng)。

（2）在生物制品溶液在凍結(jié)過程中也會產(chǎn)生大量的冰-水界面。其中活性組分分子，如蛋白質(zhì)，可能會被吸附到界面上，從而可能破壞蛋白質(zhì)的天然褶皺結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性。 

（3）在有些生物制品溶液的凍結(jié)過程中，溶液的pH值也會發(fā)生變化。如在添加有pH值為7的磷酸鹽緩沖液（NaH2PO4和Na2HPO4的摩爾比為0.72）的蛋白質(zhì)溶液凍結(jié)過程中，由于NaH2PO4的溶解度遠遠大于Na2HPO4，當溶液達到三相共晶點時，它們之間的摩爾比為57，最終導(dǎo)致了pH值的很大改變。蛋白質(zhì)發(fā)生物理聚集和化學變性。 

脫水效應(yīng)

（1）水溶液中蛋白質(zhì)經(jīng)過充分水合作用后，在蛋白質(zhì)分子表面附著一單層水，這就是所說的水合層(hydration shell)。一般來講，參與完全水合作用的水含量為0.3-0.35g（水）/g（蛋白質(zhì)）。而在凍干蛋白質(zhì)產(chǎn)品中水的含量一般不超過10%，因此，必定有一部分結(jié)合水在干燥過程中被除去。

（2）結(jié)合水的去除很可能破壞蛋白質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性。這是因為富含結(jié)合水的蛋白質(zhì)在脫水過程中暴露在乏水環(huán)境中，將質(zhì)子轉(zhuǎn)化為帶電羧酸基團，破壞了蛋白質(zhì)中電荷平衡，電荷密度的降低可能促進蛋白質(zhì)分子之間的疏水作用，從而使蛋白質(zhì)發(fā)生聚集 。 

儲藏過程

1、蛋白質(zhì)凝聚：是凍干生物制品活性組分在貯藏過程中發(fā)生變性的主要因素之一。導(dǎo)致蛋白質(zhì)凝集可能是物理（非共價）相互作用，也可能是蛋白質(zhì)發(fā)生化學凝集（共價）。  

2、脫酰胺作用：也是蛋白質(zhì)發(fā)生變性的主要途徑之一。天冬酰胺（Asn）和//33、氨酰胺（Gln）是蛋白質(zhì)中易于發(fā)生脫酰胺作用的兩種氨基酸。

4、非酶褐變：也稱作Maillard反應(yīng)。它使得還原性糖（如葡萄糖）與蛋白質(zhì)中的賴氨酸（lysine）和精氨酸（arginine）形成碳水絡(luò)合物。 

5、氧化反應(yīng)：蛋白質(zhì)中蛋氨酸Met，胱氨酸Cys，組氨酸His，色氨酸Trp和酪氨酸Tyr殘基的側(cè)鏈是發(fā)生氧化反應(yīng)的可能位置。 

6、水解作用: 雖然凍干的蛋白質(zhì)中含有極少量的水分，但在貯藏過程中仍然會發(fā)生水解作用。 

如前所述，生物制品的冷凍干燥過程是一個多步驟過程，會產(chǎn)生低溫、凍結(jié)和脫水等多種效應(yīng)；即使成功完成冷凍干燥過程后，在長期保存過程中也很難保證凍干生物制品活性組分的穩(wěn)定性。為了防止生物制品在冷凍干燥和貯藏過程中活性組分的變性，研究者們研究和探索了大量有效的保護劑。