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、凍結速率、凍結和脫水應力、玻璃化轉變溫度、干燥固體中剩余水分、貯藏環境的溫度和濕度等）都會影響其中活性組分的穩定性甚至會導致失活。

大量的實驗研究表明，除了一些食品、人血漿、牛奶等少數物料可以直接冷凍干燥外；大多數的藥品和生物制品，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，主要有三種效應會導致生物制品中活性組分的變性：低溫效應、凍結效應和脫水效應。

低溫效應

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

凍結效應

 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）在生物制品的凍結過程中，不斷結晶會導致溶液的濃度快速升高。小分子糖在zui大凍結濃縮基質中的計算濃度高達80%。當溶液濃度發生變化時，離子濃度增加，促進了化學反應。

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

  （3）在有些生物制品溶液的凍結過程中，溶液的pH值也會發生變化。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）的蛋白質溶液凍結過程中，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，zui終導致了pH值的很大改變。蛋白質發生物理聚集和化學變性。 

脫水效應

（1）水溶液中蛋白質經過充分水合作用后，在蛋白質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*水合作用的水含量為0.3-0.35g（水）/g（蛋白質）。而在凍干蛋白質產品中水的含量一般不超過10%，因此，必定有一部分結合水在干燥過程中被除去。

（2）結合水的去除很可能破壞蛋白質的天然結構，zui終導致蛋白質變性。這是因為富含結合水的蛋白質在脫水過程中暴露在乏水環境中，將質子轉化為帶電羧酸基團，破壞了蛋白質中電荷平衡，電荷密度的降低可能促進蛋白質分子之間的疏水作用，從而使蛋白質發生聚集 。 

儲藏過程

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

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

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

5、氧化反應：蛋白質中蛋氨酸Met，胱氨酸Cys，組氨酸His，色氨酸Trp和酪氨酸Tyr殘基的側鏈是發生氧化反應的可能位置。 

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

如前所述，生物制品的冷凍干燥過程是一個多步驟過程，會產生低溫、凍結和脫水等多種效應；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。