冷冻干燥阶段是在真空冷冻干燥机内进行的。该阶段包括升华过程和解吸过程两部分，主要通过调节冷冻干燥机的真空度和加热板温度并对物料的温度和重量进行监测来保证冷冻干燥过程的顺利进行。在牡丹花的真空冷冻干燥过程中，影响牡丹花冻干的因素很多。
在干燥压力为15Pa、解吸段加热板温度为55℃、预冻温度为-35℃的工艺条件下，牡丹花的冷冻干燥曲线如图 2.20 所示。
在相关研究中，牡丹花的预冻温度为-35℃、干燥压力为15Pa，在不加热的情况下花材经过≧6h达到共晶点温度，即升华阶段≧6h，此时未结合水基本上升华完毕。但是，如果真空度保持不变，鲜花的预冻温度为-15℃时物料在冷冻干燥过程中温度很快上升，大约2h就上升至共晶点温度，使得花材中的未结合水在非冻结的状态下发生蒸发，冷冻干燥后的干花出现皱缩、起泡现象。牡丹花预冻温度分别为-15℃和-35℃时的花蕊中心温度的变化趋势见图 2.21。
综合考虑各方面的因素，认为在该组试验条件下牡丹花的预冻最终温度设为-35℃左右比较稳妥。牡丹花的预冻过程先是在冰箱的冷冻室内进行，冷冻室的温度为-18℃，将室温下的牡丹花放人其中进行半快速冷冻，将近2h后牡丹花温度降至-15℃，由于冻结的过程是一个放热过程，因此应继续在冰箱内保持2h后再取出。从冰箱取出后立即用液氨喷淋使牡丹花的温度快速降低，达至一35℃后保持几分钟，防止牡丹花内的冰晶在铺放过程中吸热融化。
研究试验结果还表明，在预冻温度相同的情况下，降低压力、真空度，可以使花材温度上升的趋势减慢。由于花瓣与其他冻干物料相比具有一定的特殊性，其材质薄，进入冻干箱后在加热板未加热的情况下与周围环境发生热量交换，使得其自身的温度上升很快，从而会影响花材内部冻结水的状态，最终影响花材冻干后的品质。压力降低利于传质，不利于传热，从而减慢花材温度上升的趋势。升华阶段时间至少要有 6～7h，牡丹花中的未结合水才能保证是在冻结的情况下被升华，冻干的牡丹花颜色变化不明显，而且花瓣无皱缩现象出现，整朵牡丹花的形态也能基本保持不变。如果升华时间短，冻干后的牡丹花花瓣皱缩明显，而且颜色变暗，整朵花明显变小。
在真空度相同的情况下，解吸加热时加热板的温度越高，干花的残余含水量越低，鲜花被干燥得越彻底，冻干时间也能适当缩短。但是，解吸加热时加热板的温度直接影响着物料的温度，而每一种物料都有一个最高允许温度，当物料温度高于这一温度时，它的一些物理性质和外观就会发生很大的变化。试验结果表明，牡丹花花瓣的最高允许温度为50℃左右，当加热板通过加热使牡丹花花瓣的温度超过50℃、花蕊中心温度超过40℃时，牡丹花就会出现边缘皱缩、卷曲且花瓣颜色变深的现象。因而在调控加热板的加热温度时应以牡丹花的花瓣温度不超过50℃或花蕊中心温度不超过40℃为基准来灵活调整。
由于牡丹花非常轻，在冻干的过程中重量变化不明显，因此，冻干终点的确定采用温度趋近法和称重法来联合判定，即当牡丹花瓣表面的温度趋近于加热板的温度且牡丹花质量几乎不发生变化时，即可认为冻干过程可以结束。
