物料中所含水分，有兩種存在方式：①游離水，即機械結合水和物化結合水。它主要以吸附和滲透方式存在于物料表面、毛細管、孔隙之中。②結構水，以化學結合形式存在于物品的組織中。冷凍升華干燥主要是升華游離水，而不是結構水。升華游離水，先是將其凍成冰，然后在真空中加熱升華。
水的相變圖，用來說明物料中水的升華機理。水在不同溫度和壓力下，可以為氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)。
冷凍升華干燥原理:純水升華
OA線為水氣分界線，OB為冰一水兩相分界線，即為冰的融化線。OC線為冰—氣交界線，在此線上冰一氣共存，即為冰真接由固相轉為氣相曲線。通常把這種由固相直接轉變?yōu)闅庀嗟默F象叫做升華。
0點，為固一液一氣三相共存點，稱做三相點或共晶點。純水三相點對應的溫度為0℃，此溫度下所對應冰面上的飽和蒸氣壓為Po=5.98×102Pa。物料中所含水，均為水溶液，其三相點溫度要低于純水的溫度。由圖可見，在O點以上（圖中虛線以上），冰需轉化咸水，水再轉化為氣，其過程是普通的蒸發(fā)干燥。只有在三相點壓力pQ線以下，冰才能由固相直接轉變?yōu)闅庀?，這就是升華。因而，若要得到凍干食品，其升華溫度必須低于三相點溫度。否則得到的是蒸發(fā)干燥食品。
其干燥過程是由周圍逐漸向內部干燥，干燥層逐漸增厚，可看成多孔結構。升華熱由加熱體通過干燥層不斷地傳給凍結部分，在干燥與凍結交界的升華面上，水分子得到加熱后，將脫離升華面，沿著毛細孔跑到周圍環(huán)境中。而環(huán)境中的氣壓必須低于升華面上的飽和蒸氣壓Po，只有這樣才能造成一個水分子向外遷移的動力。
這意味著升華干燥必須在真空環(huán)境中進行。另外物料是處于凍結狀態(tài)，需維持溫度低于三相點；在真空環(huán)境下，此溫度易于保持。
