蛋白質發生冷凍變性的原因主要是由下述的一個或幾個原因共同造成的：
1）凍結時食品中的水分形成冰結晶，被排除的鹽類，酸類及氣體等不純物就向殘存的水分移動，未凍結的水分成為濃縮溶液。當食品中的蛋白質與鹽類的濃縮溶液接觸后，就會因鹽析作用而發生變性。
2）慢速凍結時，肌細胞外產生大冰晶，肌細胞內的肌原纖維被擠壓，集結成束，冰晶生成時蛋白分子間失去結合水，肌原纖維蛋白質互相靠近，蛋白質的反應基互相結合形成各種交聯，因而發生凝集。
3）脂類分解的氧化產物對蛋白質變性有促進作用。脂肪水解產生游離脂肪酸，但很不穩定，其氧化結果產生低級的醛、酮等產物，促使蛋白質變性。脂肪的氧化水解是在磷脂酶的作用下進行的，此酶在低溫下活性仍很強。
4）鱈魚、狹鱈等魚類的體內存在特異的酶，它能將氧化三甲胺分解成甲醛和二甲基苯胺，甲醛會促使鱈魚肉內的蛋白質發生變性。
上述原因是互相伴隨發生的，通常因食品種類、生理條件、凍結條件不同，而由其中一個原因起主導作用。
