Quá trình lạnh đông, một số vi sinh vật bị ức chế hoặc bị tiêu diệt bởi các nguyên nhân khác nhau như:
Protein của vi sinh vật bị biến đổi hay bị phân huỷ do hệ thống keo sinh học cũng bị phá huỷ. Sự giảm nhiệt độ kéo theo sự giảm năng lượng bề mặt nước. Tới một trạng thái thích hợp, các phân tử protein sẽ bị dehydrate hoá và từ đó làm các phân tử protein đông tụ dẫn đến biến tính protein (Nguyễn Xuân Phương, 2006).
Khi lạnh đông, đặc biệt là quá trình lạnh đông chậm. Việc hình thành những tinh thể đã có kích thước lớn đã chèn ép và làm rách màng tế bào của vi sinh vật. Ngoài ra, tỉ lệ nước bị đóng băng dao động trong khoảng 79% đến 80% ở nhiệt độ - 18oC, làm giảm hoạt độ nước, các enzyme trong vi sinh vật hầu như không còn hoạt động. Từ đó cũng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật (Nguyễn Xuân Phương, 2006).
Sự thay đổi áp suất, pH và nồng độ chất tan trong quá trình lạnh đông cũng là một trong những nguyên nhân gây ức chế sự sinh trưởng và phát triển của các vi sinh vật. Khi nước đóng băng và tách ra ở dạng nguyên chất, kéo theo đó là sự tăng nồng độ chất tan trong dịch bào khiến áp suất thẩm thấu tăng lên gây khó khắn cho sự phát triển của vi sinh vật (Nguyễn Xuân Phương, 2006).
Nhóm vi sinh vật thuộc nhóm mesophile và nhóm thermophile thường bị tiêu diệt ở nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, có một số nhóm vi sinh vật có khả năng chuyển từ dạng ưa nhiệt sang dạng ưa lạnh. Vì vậy, một số sản phẩm cần phải được tiến hành lạnh đông nhanh để chúng không chuyển từ dạng này sang dạng khác (Adams & Moss, 2000).
Trong các sản phẩm lạnh đông, mối quan tâm về vi sinh vật đến từ nhóm vi sinh vật ưa lạnh như pyschrophiles, pyschrotrophs (Pseudomonas khiến thực phẩm có màu xanh hoặc Achromobater) và nấm mốc (Penecilium hoặc Mucor). Những nhóm vi sinh vật này vẫn có thể phát triển trong điều kiện bảo quản lạnh và bị ức chế ở điều kiện bảo quản lạnh đông (Adams & Moss, 2000).
Nhìn chung, kỹ thuật bảo quản lạnh, lạnh đông chủ yếu ức chế sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Khả năng tiêu diệt vi sinh vật của kỹ thuật lạnh và lạnh đông tương đối kém. Ngoài vi sinh vật, quá trình lạnh và lạnh đông cũng không tác động đến các độc tố của vi sinh vật tạo ra. Vì vậy, thông thường muốn bảo quản một sản phẩm cụ thể, cần có sự kết hợp nhiều hơn một kỹ thuật bảo quản như bảo quản lạnh đông kết hợp với hoá chất hoặc các loại tia bức xạ (Nguyễn Xuân Phương, 2006).