Длительное хранение молочного сырья и молочных продуктов можно обеспечить в условиях низких температур за счет торможения развития микробиологических процессов и существенного понижения скорости ферментативных и физико-химических реакций. Некоторые молочные продукты, такие, как творог, сметану, сливки, замораживают для длительного хранения и использования в качестве резерва в зимне-весенний период года. Низкотемпературную обработку применяют в технологии мороженого, а также в производстве молочных продуктов сублимационной сушки. При замораживании происходят более заметные изменения физико-химических и биохимических процессов, чем при охлаждении, причем глубина их зависит от скорости замораживания и температуры хранения замороженных продуктов. Изменения обусловлены процессами кристаллизации воды, перераспределением влаги между структурными образованиями компонентов молока, повышением концентрации растворенных в жидкой фазе веществ.

Влага, содержащаяся в молоке и молочных продуктах, как и в других биологических материалах, обусловливает консистенцию и структуру продукта, определяя его устойчивость при хранении.

В продуктах животного происхождения, находящихся при температуре ниже криоскопической (температура начала льдообразования при отсутствии переохлаждения), но выше эвтектической, при определенном осмотическом давлении происходит концентрирование солевого раствора. Силы, под действием которых это происходит, стремятся оторвать от каркаса связанную влагу и перенести ее в раствор, где она может перейти в кристаллическое состояние. Процесс кристаллообразования приводит к изменению физических характеристик продукта и сопровождается изменениями его физико-химических, биохимических и морфологических свойств.

Работа сил, затраченных на отрыв 1 кг связанной влаги при температуре замораживания, равняется энергии связи влаги с сухим веществом при данной температуре.

Связанная влага имеет отличные от свободной влаги свойства. Она замерзает при более низких температурах, обладает меньшей способностью растворения, меньшей теплоемкостью, повышенной плотностью. Количество связанной влаги в продукте помимо его физико-химических свойств определяется его дисперсностью. С увеличением дисперсности продукта увеличивается количество связанной влаги.

Количество и доля вымороженной влаги в продукте зависят от ее общего содержания, формы и прочности ее связи со структурными элементами, концентрации и степени диссоциации растворенных в воде веществ. Размер, форма и распределение кристаллов льда в структуре продукта зависят от его свойств и условий замораживания. Состояние мембран и клеточных оболочек, их проницаемость, ионная и молярная концентрация растворенных веществ, степень гидратации основных компонентов (прежде всего белков) предопределяют особенности распределения льда в системе и форму кристаллов.

Более низкая концентрация растворенных веществ в межклеточном пространстве обусловливает разницу в значениях криоскопических температур структурных элементов продукта. По этой причине кристаллы льда в первую очередь формируются в межклеточной жидкости. Этот процесс сопровождается повышением осмотического давления за счет роста концентрации растворенных в жидкости солей, что, в свою очередь, способствует миграции влаги из клеток.

При медленном замораживании (температура – 10°С) с образованием крупных кристаллов вне клеток изменяется первоначальное соотношение объемов межклеточного и внутриклеточного пространства за счет перераспределения влаги и фазового перехода воды. Быстрое замораживание (температура ниже –22 °С) предотвращает значительное диффузионное перераспределение влаги и растворенных веществ и способствует образованию мелких, равномерно распределенных кристаллов льда. В соответствии с изменением скорости замораживания, по мере перемещения границ фазового перехода от периферии к центру продукта меняются размер и характер распределения кристаллов льда. Наиболее мелкие кристаллы образуются в поверхностных слоях продукта.

Условия замораживания влияют также на равномерность рас­пределения растворенных веществ по объему продукта. Увеличе­ние концентрации неорганических веществ в зоне кристаллооб­разования может быть причиной их миграции во внутренние слои продукта.

При замораживании воды образуются кристаллы различной формы, имеющие острые вершины и кромки, вследствие чего они могут отрицательно воздействовать на грубодисперсные составные части. Из водных солевых растворов в процессе замораживания выпадают прежде всего чистые кристаллы льда, в результате чего концентрация остаточного раствора повышается. Это приводит к дальнейшему понижению точки замораживания. В эвтектической точке раствор затвердевает равномерно.

Максимальное кристаллообразование происходит при температурах от 2 до 8 ˚С, поэтому, чтобы предотвратить образование крупных кристаллов льда при замораживании, необходимо обеспечить быстрое понижение температур в этом интервале. Кроме того, именно из-за максимального кристаллообразования в этом интервале температур повышается содержание в невымороженной влаге растворенных веществ, увеличивается скорость некоторых реакций, в частности из-за нарушения структурных клеточных образований высвобождаются ферменты и окисляются липиды.

Дальнейшее понижение температуры не сопровождается зна­чительным возрастанием концентрации веществ в жидкой фазе, происходит снижение скорости физико-химических и биохимических реакций.

При медленном замораживании молока невымороженной оста­ется около 4 % свободной и 3 – 3,5 % связанной влаги. В свободной влаге повышена концентрация белков, минеральных солей и лактозы. Это влияет на стабильность белков: из казеина удаляется гидратационная вода, уменьшается заряд казеиновых мицелл, в результате происходят агрегация и дезагрегация казеиновых мицелл и потеря ими стабильности. Этому способствует и кристаллизация лактозы при охлаждении и сильном перемешивании молока перед замораживанием. Поэтому в медленно замороженном молоке физико-химические изменения белков приводят к полной или частичной их денатурации. Образующийся вследствие денатурации осадок состоит из α и β-казеина, а также фосфата кальция. Такие изменения белков приводят к снижению способности мо­лока свертываться под действием сычужного фермента.

При быстром замораживании вся свободная влага переходит в лед, невымороженной остается 3 – 4 % влаги. Оставшаяся связанная влага не обладает свойством растворять соли, поэтому денатурационных изменений белков не происходит. Не нарушается также стабильность оболочек жировых шариков и, как следствие, предотвращается дестабилизация жировой эмульсии.

Замораживание молочного сырья происходит неравномерно: сначала слой чистой воды на границе раздела фаз (на стенках, вверху и на дне сосуда), в оставшейся части концентрируются компоненты молока. Так как кристаллы, образующиеся из первоначального раствора, отличаются составом, замораживание водных растворов представляет собой процесс расслоения. Молочное сырье при медленном замораживании расслаивается. Это явление можно наблюдать при доставке молока во флягах в зимние месяцы. Образующийся во флягах «молочный» лед содержит больше воды, чем остальная жидкость, которая отличается повышенным содержанием сухих веществ.

В сливках процессы расслоения не так ярко выражены, как в молоке. Однако при медленном замораживании сливок наступают известные явления дестабилизации, которые проявляются в виде появления «свободного» жира после оттаивания сливок. Это явление вызвано тем, что давление льда вызывает деформацию и повреждение оболочек жировых шариков. Последние после оттаивания сливок образуют конгломераты, в результате чего и появляется свободный жир. Результатом деэмульгирования является липолиз в сыром молоке после замораживания и оттаивания.

Наряду с механическим разрушением оболочек жировых шариков в результате эффекта высаливания остаточной жидкости денатурируют оболочечные белки. Гидратная оболочка белков оболочки жировых шариков довольно прочно адсорбирована. При замораживании она сохраняется как невымораживаемая вода.

Между льдом и невымороженной гидратной водой возникает перепад давлений водяных паров. В процессе хранения молока или сливок молекулы воды выделяются из гидратного слоя и денатурируют. Это способствует дестабилизации оболочек жировых шариков. Дестабилизация молочного жира сливок в процессе хранения объясняется их гетерогенностью. Водная и жировая фазы различаются как теплопроводностью, так и тепловым расширением. Коэффициент теплового расширения жира более чем вдвое больше коэффициента теплового расширения льда, за счет этого и объемное расширение жира и льда различное. В результате на поверхности лед/жир возникают напряжения, вызывающие повреждения жировых шариков.

Кристаллизация молочного жира и дестабилизация оболочек жировых шариков в результате замораживания приводят к появлению свободного жира, активизации ферментов и быстрой порче размороженного продукта, а также к увеличению содержания жира в пахте при производстве масла из сливок.

Замораживание сопровождается уменьшением количества и активности микроорганизмов без их полного уничтожения. В процессе замораживания повышается концентрация растворенных веществ вследствие перехода влаги из микробной клетки во внешнюю среду, в дальнейшем влага кристаллизуется внутри клетки. Из-за изменения состояния белково-липидных комплексов и механического разрушения микробной клетки кристаллами льда возможны повреждения мембранных структур клетки.

Устойчивость микробной клетки к замораживанию зависит от рода и вида микроорганизмов, стадии их развития, скорости и температуры замораживания, состава среды обитания. В пределах температур замораживания до - 30 °С разрушение многих микроорганизмов происходит при достаточно небольших минусовых температурах. Так, наиболее высокая степень гибели микроорганизмов приходится на температуры - 4 - 6°С. Однако в этих условиях сохраняют свою жизнедеятельность и способность к росту некоторые психрофильные микроорганизмы. Для предотвращения их развития необходимы более низкие температуры. Почти полностью исключается рост микроорганизмов при температурах  - 10...-12 °С. Хранение при таких температурах позволяет сохранять продукты без микробиологической порчи.

Тем не менее при замораживании и хранении при низких температурах в продукте остается часть жизнеспособной микрофлоры, а ферменты длительное время сохраняют свою активность. Поэтому при размораживании продукта могут начаться процессы, влияющие на его качество.