由于冷凍干燥過程存在多種應力損傷，因此保護劑保護藥品活性的機理也是不同的，可以分為低溫保護和凍干保護。
對于低溫保護，目前被廣為接受的液體狀態下蛋白質穩定的機理之一是優先作用原理。優先作用是指蛋白質優先與水或水溶液中的保護劑作用。在有起穩定作用的保護劑存在的條件下，蛋白質優先與水作用(優先水合)，而保護劑優先被排斥在蛋白質區域外(優先排斥)。在這種情況下，蛋白質表面就比其內部有較多的水分子和較少的保護劑分子。優先作用原理同樣適用于冷凍-融解過程。蛋白質保護劑，在溶液中被從蛋白質表面排斥，在凍結過程中能夠穩定蛋白質。但是優先作用機理不能完全解釋用聚合物或蛋白質自身在高濃度時保護蛋白質的現象。
在凍干過程中，由于蛋白質的水合層被除去，優先作用機理不再適用。對于凍干保護機理，仍在研究探討之中，目前主要有兩種：
a)水替代假說。許多研究者認為由于蛋白質分子中存在大量氫鍵，結合水通過氫鍵與蛋白質分子聯結。當蛋白質在冷凍干燥過程中失去水分后，保護劑的羥基能替代蛋白質表面的水的羥基，使蛋白質表面形成一層假定的水化膜，這樣可保護氫鍵的聯結位置不直接暴露在周圍環境中，穩定蛋白質的高級結構，防止蛋白質因凍干而變性，使其即使在低溫冷凍和干燥失水的情況下，仍保持蛋白質結構與功能的完整性。
b)玻璃態假說。研究者認為在含保護劑溶液的干燥過程中，當濃度足夠大且保護劑的結晶不會發生時，保護劑-水混合物就會玻璃化。研究發現在玻璃態下，物質兼有固體和流體的行為，粘度極高，不容易形成結晶，且分子擴散系數很低，因而具有粘性的保護劑包圍在蛋白質分子的周圍，形成一種在結構上與玻璃狀的冰相似的碳水化合物玻璃體，使大分子物質的鏈鍛運動受阻，阻止蛋白質的伸展和沉淀，維持蛋白質分子三維結構的穩定，從而起到保護作用。
目前大部分學者贊同"水替代假說"，因為可以通過實驗檢測到蛋白質和保護劑之間的氫鍵，為理論提供證據。事實上，無論是"水替代假說"還是"玻璃態假說"，它們的基礎都是基于藥液實現了部分或全部玻璃化凍結。
4凍干工藝及優化
由于藥品冷凍干燥過程會產生多種應力，對凍干藥品的藥性有很大的影響，因此對藥品冷凍干燥過程進行合理設計，對于減少凍干損傷和提高凍干藥品的質量有重大的意義。
4.1凍結研究
冷凍干燥過程中的凍結過程非常重要，因為在凍結中形成的冰晶形態和大小以及玻璃化程度不僅影響后繼的干燥速率，而且影響凍干藥品的質量。因此在凍結過程中必須考慮配方、凍結速率、凍結方式、以及是否退火等問題。4.1.1配方的影響
配方中的固體含量會影響凍結和干燥過程。如果固體含量少于2%，那么凍干藥品結構的機械性能就會不穩定。尤其在干燥過程中，藥品微粒不能粘在基質上，逸出的水蒸氣會把這些微粒帶到小瓶的塞子上，有時甚至會帶到真空室當中。
此外，為了獲得均勻一致、表面光滑、穩定的蛋白質藥品，配方中必須含有填充劑、賦形劑、穩定劑等保護劑，這些保護劑對實現藥品的玻璃化凍結有重大的影響。很多糖類或多元醇經常被用于溶液凍融和凍干過程中非特定蛋白質的穩定劑，它們既是有效的低溫保護劑又是很好的凍干保護劑，它們對凍結的影響取決于種類和濃度。文獻[16～23]對不同的保護劑進行了詳盡的研究，探討了它們的凍結特性。文獻[4]還研究了其它保護劑的凍結特性。但是蛋白質種類很多，而且物理化學性質各異，因此不同的蛋白質需要不同的保護劑配方，因此它們的凍結特性就不同，一般需要實驗。
4.1.2凍結方式
凍結方式不同，產生的冰晶的形態和大小就不同，而且會影響后繼的干燥速率和凍干藥品質量。根據凍結機理，可以把凍結分為全域過冷結晶和定向結晶兩類。
全域過冷結晶是指全部藥液處于相同或相近的過冷度下進行凍結的方式。在全域過冷結晶中，凍結速率和冰晶成核溫度是重要的參數。
全域過冷結晶按凍結速率的快慢可分為慢速凍結和快速凍結。快速凍結的冰晶細小，而且沒有凍結濃縮現象，但是存在不完全凍結現象。相反，慢速冷卻產生較大的冰晶，并且存在凍結濃縮的現象。Thomas W Patapoff等人發現如果把藥品直接浸入液氮或干冰-乙醇溶液槽中(快速凍結)，那么晶核首先在瓶壁產生，然后冰晶向中心擴散，再垂直向上擴散。由于長成的冰晶細小，而且有水平方向的結構，導致干燥階段的傳質阻力很大，升華速率降低。實驗證明，快速凍結導致升華速率低，解吸速率快，慢速凍結導致升華速率快，解吸速率慢。
James A Searles等人認為冰晶成核溫度是全域過冷結晶的重要因素，因為它是升華速率的主要決定因素。他們在研究中發現，冰晶成核溫度從本質上來說是隨機的、不穩定的，不容易控制，但是受溶液中的微粒含量和是否存在冰晶成核體等影響因素。正是冰晶成核溫度的隨機性導致升華干燥速率的不均勻性以及與形態相關的參數，如凍干藥品表面積和解吸干燥速率。