Pod względem fizykochemicznym mleko jest roztworem koloidowym. Ośrodkiem dyspersyjnym jest woda, a pozostałe składniki mleka tworzą fazę rozproszoną. W skład substancji rozproszonych wchodzą zawiązki wielkocząsteczkowe, cząsteczki, jony, a także ciała ciekłe. Do związków wielkocząsteczkowych mleka nalezą białka nadające mu cechy roztworu koloidalnego, w postaci cząsteczek rozpuszczone są cukrowce (laktoza), w postaci jonów występują związki mineralne; ciekły w temperaturze organizmu produkującego mleko jest tłuszcz rozproszony w postaci kuleczek, nadając mleku charakter emulsji.

Suchą masę mleka stanowią: tłuszcz, białka: kazeina, albuminy i globuliny, dalej cukier mlekowy (laktoza) oraz inne substancje organiczne, w skład których wchodzą sole kwasu cytrynowego, zasady azotowe, lecytyna, cholesterol, karoten i witaminy oraz związki mineralne. Zawierając wszystkie składniki potrzebne do życia, mleko jest uniwersalnym środkiem spożywczym i stąd jego szczególne znaczenie w żywieniu.

Ogólna wartość mleka mierzy się ilością zawartych w nim składników suchej masy. Pod tym względem – spośród zwierząt wykorzystywanych jako mleczne- najwartościowsze jest mleko owcze (dużo tłuszczu i białek, sucha masa nieraz większa niż 25%), najniżej natomiast mleko klaczy i oślicy (mało tłuszczu, białek, związków mineralnych, a dużo laktozy). Przyjmując mleko krowie za wzorzec, odznaczający się bardziej zrównoważonym stosunkiem tłuszczu, białek i węglowodanów, kozie mleko można ocenić jako zawierające przeciętnie nieco więcej suchej masy, a zwłaszcza tłuszczu, jakkolwiek równice są niewielkie. Mleko bawolicy cechuje się dużą zawartością tłuszczu i białek, jeszcze więcej tych składników występuje w mleku samicy renifera, natomiast mleko wielbłądzie skaldem swym niewiele różni się od mleka krowiego.

Znaczna rozpiętość w składzie chemicznym mleka różnych zwierząt spowodowana jest przez wiele czynników natury fizjologicznej i anatomicznej młodego organizmu, dla którego mleko stanowi jedynie źródło substancji odżywczych budulcowych i energetycznych przez wiele tygodni albo miesięcy. Uwzględniają stosunek sumy albumin i globulin do kazeiny poszczególne mleka motam zgrupować w trzy typy:

1. Typ kazeinowy (75-80% azotu związane jest w formie kazeiny)- mleko krowie, kozie, owcze, bawole, wielbłądzie i reniferowe,

2. Typ kazeinowo-albuminowy (60-70%) azotu w formie kazeiny- mleko klaczy i oślicy)

3. Typ albuminowy (na kazeinę i pozostałe białka przypada po ok. 50%)- mleko kobiece.

Kazeina różni się swoimi właściwościami fizykochemicznymi od pozostałych białek. Interesujące jest jej zachowanie się w obecności kwasów. Mleko krowie zawierające dużo kazeiny zsiada się powoli w postać drobnokłaczkowej, właściwość ta może być wykorzystywana do wykrycia dodatku mleka krowiego, w pokarmie kobiecym. Innym sposobem jest obserwacja luminescencji w świetle lampy kwarcowej; mleko kobiece ma luminescencję niebieską, krowie żółtą.

Jak już wspomniano, mleko stanowi bardzo złożony układ koloidalny jego składniki mineralne (głównie NaCl), cytryniany i laktoza rozpuszczone są w wodzie mleka i tworzą roztwór właściwy; białka mleka i część fosforanów wapniowych tworzą roztwór koloidalny, tłuszcz natomiast rozproszony jest w postaci kuleczek nadając mleku charakter zawiesiny albo emulsji. Złożoność tego układu wynika z wielkości cząsteczek chemicznych bądź właściwości fizycznych. Średnica cząsteczek soli mineralnych lub laktozy jest rzędu 0,1 nm, cząsteczek białka rzędu 5—100 nm tłuszczu w postaci zawieszonych kuleczek 100-1000 nm. Masa molowa elektrolitów wynosi 10¹-10², laktozy 3,42·10², albumin 10⁴, kazeiny 10⁵- 10⁶. Kulki tłuszczu są widoczne w mikroskopie świetlnym i stanowią charakterystyczny obraz mikroskopowy mleka.

Jakościowy skład składników naturalnych mleka jest stały, ilościowy natomiast ulega dość dużym wahaniom i zależy od różnych czynników.Mleko wytwarza się w wymieniu przy współudziale licznych hormonów, enzymów i układu nerwowego. Odpowiednich składników dostarcza przepływająca przez nie krew tętnicza i stąd też znaczny wpływ paszy na skład produktu. Mleko krowie jako istotnie ważny środek spożywczy w żywieniu człowieka i jako najważniejsze gospodarczo było i jest przedmiotem intensywnych badań, co pozwoliło na ustalenie pewnych zależności pomiędzy poszczególnymi składnikami.

Odczyn mleka

Kwasowość mleka rzeczywista odpowiada wartości pH 6,5-6,7; mleko ludzkie ma pH 7,0-7,2. Mleko zwierząt dotkniętych zapaleniem wymienia wykazuje wyższe pH. Kwasowość mleka mierzy się w stopniach Soxhleta-Henkla (ºS.H), przy czym 1 stopień odpowiada liczbie mililitrów 0,25 NaOH zużytych na 100 ml mleka  wobec 2% alkoholowego roztworu fenoloftaleiny. Normalne mleko krowie wykazuje 6,5-7,5 S.H, przy schoprzeniu wymienia wartość ta może być niższa.

Na kwasowość mleka świeżego składają się przede wszystkim wolne grupy karboksylowe kazeiny, a poza tym kwaśne sole mleka takie jak fosforany, cytryniany, dwuwęglany; te ostatnie są czynnikiem silnie buforującym mleko. Na kwasowość mleka wpływają: rasa krów, sposób żywienia, okres laktacji i stany chorobowe krów (na ogół spadek kwasowości). Fermentacja mlekowa laktozy powoduje wzrost kwasowości.

Gęstość (ciężar właściwy)

Mleko krowie wykazuje gęstość w granicach od 1,013-do 1,042, zwykle jednak wahania są mniejsze: 1,029-1,033. Gęstość mleka ustala się dopiero po kilku godzinach (3-6 godz.) o wydojenia, stabilizacji sprzyja niższa temperatura przechowywania. Zmiany gęstości są spowodowane zmianami w układzie fizykochemicznym mleka.

Gęstość mleka, w którym tłuszcz jest w stanie zestalonym) np. mleko silnie schłodzoneprzez kilka-kilkanaście godzin), jest około 0,6-0,8° Ld wyższa od mleka zawierającego tłuszcz w stanie ciekłym. W celu uniknięcia możliwych z tego powodu błędów zalecane jest krótkotrwałe (1-2 min.) ogrzanie mleka do około 40°C i następnie schłodzenie do tempertury pomiaru gęstosci (20° lub 15°C). Rozwodnienie mleka wywołuje proporcjonalny spoadek jego geśtosci odsetka tłuszczu i suchej masy beztłuszczowej. Jednak znaczniejsze odtłuszczenie mleka z jednoczesnym jego lekkim rozwodnieniem może nie zmienić gęstości mimo silnego spadku zawartosći tłuszczu, a lekkiego obniżenia odsetka suchej masy beztłuszczowej (E. Pijanowski).

Lepkość

Lepkość mleka pełnego jest wyższa niż mleka odtłuszczonego. Wielkości te zależą od stopnia rozproszenia składników mleka. Największy wpływ wywiera kazeina, mniejszy tłuszcz, fosforany koloidowe, pozostałe białka i inne składniki mleka. Lepkość mleka zależy głównie od zawartych w nim białek , głównie od kazeiny, a w mniejszym stopniu - od tłuszczu. Jak podaje E. Pijanowski, długotrwałe chłodzenie mleka (nawet po uprzednim silnym ogrzaniu) podnosi z czasem lepkość wskutek agregacji tłuszczu, co bywa technicznie wyzyskiwane np. w stosunku do śmietanki. Lepkość mleka zimą jest wyższa niż latem. Również przechowywanie mleka w niskiej temperaturze przez dłuższy okres czasu lub wstrząsy mechaniczne zwiększają lepkość, przypuszczalnie na skutek łącznie się kuleczek tłuszczowych.

Napięcie powierzchniowe

Napięcie powierzchniowe mleka jest niższe od nalepięcia powierzchniowego wody, przede wszystkim dzięki zawartym w mleku białkom, tłuszcz lekko podwyższa napięcie powierzchniowe, pozostałe składniki zasadniczo pozostają bez wpływu. Poza tym dzięki niższemu napieciu powierzchniowemu i przez to większej zwilżalności mleko łatwiej wnika do różnych szczelin  niż czysta woda i nie daje się stamtąd uzunąć za pomocą zwykle do mycia używanych roztworów alkaliów, które podobnie jak woda, wykazują znacznie wyższe napiecie powierzchniowe od mleka. Najniższe napięcie powierzchniowe wykazuje mleko ochłodzone do temperatury 0-10°C. Wzrost kwasowości obniża napięcie powierzchniowe, aż do momentu, kiedy cała zawartość kazeinianu wapnia zostaje rozłożona.

Temperatura krzepnięcia i wrzenia

Temperatura krzepnięcia mleka (tj. zapoczatkowanego wytrącania się kryształków lodu) wynosi od 0,54 do-0,57°C, co związane jest ze stałością ciśnienia osmotycznego mleka. Znajomość punktu zamarzania mleka jest wykorzystywana przy wykrywaniu zafauszowań przez rozwodnienie (dodatek wody  podwyższa ten punkt): -0,52°C oznacza już średnio 5%, gdy -0,49° to 10%, a -0,43° to 20-procentowy dodatek wody do mleka. Temperatura wrzenia ulega niewielkim wahaniom i wynosi średnio 100,17°C. Czynniki powodujące zmiany ciśnienia osmotycznego mleka wpływają również na temperatury krzepnięcia i wrzenia.

Tworzenie się kożuszka

W temperaturze powyżej 50°C na powierzchni mleka tworzy się błonka, tzw. kożuszek. Po usunięciu jednego kożuszka zbiera się drugi i w ten sposób mleko może wytworzyć kilka takich błonek. W skład kożuszka wchodzi średnio 48,45% wody, 41,43% tłuszczu, 4,71% kazeiny, 3,34% laktozy oraz 0,69 % zasadowych fosforanów wapnia.

Współczynnik refrakcji światła

Współczynnik refrakcji światła określany jest jako stosunek sinusów kąta padania światła i kąta jego załamania w badanym środowisku, wynosi  w mleku od 1,347 do 1,352 przy 20°C i jest nieco wyższy niż w czystej wodzie (1,3330 przy 20°C), głównie dzięki zawartej w mleku laktozie, a w mniejszym stopniu - białkom (E. Pijanowski).

Przewodnosć cieplna

Przewodność właściwa mleka jest bliska przewodnosci wody (obecność składników suchej masy, zwłaszcza tłuszczu nieco ją obniża) i średnio wynosi około 0,066 W/(cm·°C), co odpowiada około 0,0014 cal/(cm·°C·s).

Źródło: A. Lempka - Towaroznawstwo produktów spożywczych. PWE. Warszawa; Henryk Młodecki Lech Piekarski -Zagadnienia zdrowotne żywności.PZWL. Warszawa; Przemysł spożywczy- Encyklopedia Techniki. WNT. Warszawa; Eugeniusz Pijanowski- Zarys chemii i technologii mleczarstwa tom I. PWRiL. Warszawa