Змінювання білків. Під час теплової обробки білки зсідаються. Початкова стадія зсідання білків (денатурація) починається з нагрівання продукту до 40 °С. При цьому білки втрачають нативні (природні) властивості. При нагріванні продуктів до температури більш як 70 °С відбувається коагуляція білків. Вони втрачають властивість розчинятися й утримувати воду (набухати), в зв'язку з чим маса риби і м'яса після теплової обробки зменшується.
Білки, які містяться в продуктах у вигляді розчинів, зсідаються пластівцями. Це явище спостерігається при варінні бульйонів з м'яса, риби. У воду переходить частина білка, який збирається на поверхні бульйону, утворюючи піну.
Білки, які містяться в продуктах у вигляді драглеподібної маси, при нагріванні ущільнюються, виділяючи частину води (білки м'яса, риби), винятком є білки яєць, які при зсіданні не виділяють води. Чим вища температура продукту при тепловій обробці, тим більше ущільнюються білки, тим більше води вони виділяють. Внаслідок цього знижується засвоюваність їх організмом людини. Тому продукти, в яких містяться білки, не слід переварювати.
Змінювання жирів. Під час теплової обробки жири, які містяться в продуктах, частково витоплюються. При варінні бульйонів жир спливає на його поверхні. При тривалому і бурному кипінні у воді жир емульгує (розпадається на найдрібніші кульки). Емульгований жир під дією кислот і солей, що містяться в бульйоні, розпадається па гліцерин і жирні кислоти. Бульйон стає каламутним і набуває неприємного смаку і запаху Тому варити продукти слід при помірному кипінні, а жир, що збирається на поверхні, періодично знімати.
Під час смаження продуктів основним способом жир не зазнає глибоких фізико-хімічних змін, оскільки смаження більшості продуктів триває 20-30 хв, тому харчова цінність його практично не змінюється. Важливим фактором у цьому разі є правильне добирання жиру. Для смаження не слід використовувати жири, які містять вологу (масло вершкове, маргарин вершковий), оскільки при температурі 100 °С і вище вона випаровується і спричинює розбризкування їх. Втрати жиру при розбризкуванні називаються чадом. Розбризкування жиру спостерігається при смаженні продуктів з великим вмістом вологи (сира картопля, м'ясо, риба та ін.).
Під час смаження у фритюрі жир зазнає глибоких змін. Це зумовлено високою температурою, тривалістю нагрівання, забрудненням жиру частинками продукту, які при високих температурах згорають. Для того щоб запобігти забрудненню фритюру, вироби, призначені для смаження у фритюрі, не обкачують у борошні, руки й інвентар змащують олією, фритюр періодично проціджують і доливають свіжий. Через 40 год безперервної роботи фритюрниці жир стає непридатним для подальшого використання. Тому для смаження у фритюрі використовують фритюрниці, в нижній частині яких є холодна зона, де температура жиру значно нижча, і частинки продукту не горять.
Поява диму під час смаження є результатом розщеплення молекул жиру з утворенням отруйної речовини акролеїну, яка шкідлива для здоров'я людини. Цей процес називають димоутворюванням. Тому для смаження слід використовувати жири з високою температурою димоутворення і смажити їх слід при температурі на 5-10 °С нижчій, ніж температура димоутворення жиру.
Найнижча температура димоутворення у рослинних жирів, особливо в оливкової олії (170°С), і найвища у кулінарних (230°С), тому при смаженні рослинні жири не рекомендується перегрівати. Нагрівають жир до температури не більш як 183 °С, щоб не викликати руйнування його.
Змінювання складу вуглеводів. До складу продуктів входять прості і складні вуглеводи. При нагріванні з водою прості цукри розчиняються: цукор (сахароза) при нагріванні з водою в присутності кислот (у разі приготування узварів, киселів, запіканні яблук) зазнає інверсії — розщеплення з утворенням суміші глюкози і фруктози, які солодші від сахарози. Цукор при нагріванні без води до температури більш ніж 140-160 °С розщеплюється, утворюючи забарвлену в темний колір речовину. Цей процес розщеплення цукру називається карамелізацією. В результаті реакції простих цукрів з азотистими речовинами утворюються сполуки — меланоїдинові утворення, що спричиняють появу рум'яної кірочки при смаженні панірованих виробів з м'яса, риби, а також сирників, запіканок та ін
При нагріванні крохмалю до температури 110°С без води відбувається його декстринізація (розщеплення з утворенням розчинних у воді продуктів). Декстринізація здійснюється на поверхні виробів з утворенням жовтувато-коричневої кірочки при пасеруванні борошна, обсмажуванні круп.
Крохмаль при нагріванні з великою кількістю води до температури 100 °С клейстеризується з утворенням драглеподібної маси. Починається клейстеризація при температурі 55-60 °С, яка з підвищенням температури прискорюється.
При тепловій обробці картоплі клейстеризація крохмалю відбувається за рахунок вологи, яка міститься в картоплі. При випіканні виробів з тіста, варінні бобових крохмаль клейстеризується за рахунок вологи, яку виділяють білки клейковини, що зсілися. А при варінні каші, макаронних виробів він клейстеризується за рахунок вологи навколишнього середовища. Цим пояснюється збільшення маси круп і макаронних виробів під час варіння.
Пружності продуктам рослинного походження надає протопектин, який скріплює рослинні клітини між собою. При тепловій обробці під дією високої температури протопектин переходить у пектин — розчинну речовину. Внаслідок цього продукти рослинного походження розм'якшуються і легше засвоюються. Швидкість переходу протопектину в пектин залежить від властивостей продукту — в одних протопектин менш стійкий (картопля, фрукти та ін.), у інших більш стійкий (бобові, крупи, буряки); чим вища температура варіння, тим швидше протопектин переходить у пектин; у кислому середовищі сповільнюється перехід протопектину в пектин. Тому при варінні страв з продуктами, які містять кислоту, їх попередньо тушкують або припускають і додають у страву, коли овочі майже готові.
Клітковина є основною речовиною, з якої складаються стінки рослинних клітин, і при тепловій обробці в ній відбуваються незначні зміни. Вона набубнявіє, стає більш пористою і через неї проникають травні соки.
Змінювання вітамінів. При тепловій обробці руйнуються розчинні у воді вітаміни, насамперед вітамін С внаслідок його окислення під час варіння продуктів у посуді з відкритою кришкою, при подовженні строків теплової обробки і тривалому зберіганні їжі на марміті, збільшенні поверхні зіткнення продукту з киснем повітря.
Збереженню вітаміну С сприяють органічні кислоти, які містяться в овочах і фруктах. При смаженні у фритюрі вітамін С руйнується меншою мірою, ніж при смаженні основним способом. Під час варіння продуктів значна частина вітаміну переходить у відвар.
Інші розчинні у воді вітаміни (Р, РР, групи В) під час варіння також переходять у відвар. Вітаміни групи В стійкі при нагріванні в кислому середовищі, а в лужному і нейтральному — руйнуються при тепловій обробці на 20-30%.