牛乳冻结后，其成分将发生一系列化学变化，其中主要有蛋白质、脂肪、乳固形物的分布以及风味等的变化。
（1）冻结对蛋白质的影响主要是引起蛋白质沉淀。长时期贮存的冻结乳，解冻后会发生沉淀，这是伴随着酪蛋白趋向不稳定而出现的胶体状态的变化。
酪蛋白在牛乳冻结时产生凝固，主要受乳中盐类（特别是胶体状钙）的浓度、乳糖结晶、冻结前的加热状况及解冻速度等因素的影响。
如果乳中的盐类特别是钙含量较高，当乳发生冻结时，由于冰晶的析出，导致胶体溶液中盐浓度的明显增大，而足以消除酪蛋白胶粒的电荷，因此发生凝聚。随着冻结期的延长，这种凝聚会变成一种不可逆的沉淀。如果除去部分钙，就可提高酪蛋白的稳定性。
乳糖结晶也能促进蛋白质的不稳定。在冻结乳中，呈溶解状态的乳糖与一部分钙盐结合或乳糖发生结晶后，脱离乳糖的部分钙盐作用于蛋白质而促进其沉淀。
那么，解冻乳能否保持正常乳的质量。有研究认为，解冻乳能否保持正常乳的质量，取决于冻结乳中水分含量的高低，冻结时发生的重要变化取决于浓缩的乳酸及盐溶液对乳蛋白质胶粒的作用。
可见，乳的冻结方法、冻结乳的贮藏温度对乳的质量有很大的影响。而速冻与低温贮藏有利于保持胶体的稳定性。因此，冻结乳的融化温度，以82℃水浴融化效果较好。
（2）冻结对脂肪乳的影响。
其一，引起脂肪上浮。冻结乳解冻后往往出现脂肪上浮的缺点，这是因为脂肪球膜的构造在冻结过程中遭到破坏，失去乳化力的结果。提高脂肪稳定性的方法有多种，如在冻结前进行均质处理、添加蔗糖、进行速冻并在较低温度下（-29℃）贮藏。
其二，冻结影响乳成分的分布。冻结的牛乳，其成分分布呈现不均匀的分层现象。在冻结乳的周围表层是紧密而透明的冰结晶层，其乳固体含量和酸度最低。冻结乳的上层因脂肪上浮而具有较柔软的组织及较高的含脂率；下层的乳固体含量最高，而其中间部分是蛋白质、盐类、乳糖含量较高的白色核心，其酸度最高。乳成分的分布变化是由于冻结过程是由外向内逐步冻结造成的结果。为了解决这种分层现象，最好的办法是分层速冻和低温贮藏。
（3）引起不良风味的出现和细菌的变化。冻结贮藏的牛乳，经常出现氧化臭、金属臭及鱼腥臭。这主要是由于处理过程中混入了铜等重金属离子，促进了不饱和脂肪酸氧化的结果。防止办法是在牛乳冻结前添加一些符合国家食品添加剂使用标准的抗氧化剂。