החלב ומוצרי החלב מכילים תערובת הטרוגנית של חלבונים, אנזימים, פפטידים וכמות קטנה של מולקולות חנקניות שאינן חלבון.

החלבונים מתחלקים לשתי פרקציות עיקריות:

1.       פרקצית הקזאינים (כ 80% מהחלבונים) ופרקצית מי הגבינה – WHEY (כ- 20% מהחלבונים).

2.       פרקצית חלבוני מי-הגבינה הינה הטרוגנית יותר מזו של הקזאינים וכוללת בטא-לקטוגלובולין, אלפא- לקטאלבומין, סרום אלבומין, אימונוגלובולינים, פרוטאזות, לקטופרין וטרנספרין.

לכל אחד מחלבונים אלו יש תכונות ייחודיות לו. לחלבוני מי הגבינה תכולה גבוהה של חומצות אמינו מסועפות. חומצות אמינו אלה (לאוצין, איזולאוצין, ואלין) מספקות אנרגיה זמינה לשריר בזמן מאמץ. לעובדה זו משמעות רבה בתזונה של ספורטאים.

לחלבוני חלב ספציפיים קשת נרחבת של תועלות פיסיולוגיות ביניהן הגברת ספיגת סידן, הורדת לחץ דם, הפחתת סיכון לסרטן והגנה מפני עששת.

ערך ביולוגי

בשל המגוון הגדול של החלבונים מתקבלת בחלב תערובת של מגוון חומצות אמינו הכרחיות, אשר מקנות לחלבוני החלב יחד ערך ביולוגי גבוה. רק חומצות האמינו הגופרתיות (מתיונין וציסטאין) מגבילות במקצת את ערכו הביולוגי של החלבון.

בזכות תכולת ליזין גבוהה משלים חלבון החלב בצורה יעילה חלבונים מהצומח, אשר מוגבלים בד"כ בליזין, בעיקר אלו של הדגניים.

חלבוני מי הגבינה (WHEY) מכילים 60% חומצות אמינו הכרחיות ולכן הערך הביולוגי שלהם הוא גבוה מבין כל חלבוני המזון (כולל זה של הביצה).