为什么奶（乳汁）几乎都是乳白色？
奶，无论来自哺乳动物的乳房，还是我们日常购买的牛奶，呈现出那几乎是标志性的乳白色，这背后可不是什么随意的颜色，而是相当精密的光学原理在起作用。把它想象成一个微观的舞台，各种成分在这个舞台上跳着一支散射之舞，最终汇聚成我们眼中看到的温润奶白。
首先，让我们看看这舞台上都有哪些“演员”：
脂肪： 这是奶白色最主要的贡献者。牛奶中的脂肪以微小的脂肪球形式存在，这些脂肪球的直径大约在0.1到20微米之间，平均直径在3微米左右。重要的是，这些脂肪球的尺寸，尤其是它们的大小分布，与可见光的波长非常接近。
蛋白质： 主要以酪蛋白（casein）的形式存在，酪蛋白会以胶束（micelles）的形式聚集。这些酪蛋白胶束也相当小，但它们比脂肪球更小一些，直径通常在50到500纳米之间。它们也是散射光的重要参与者。
乳糖和矿物质： 这些溶解在水相中的物质本身对颜色影响不大，它们是“透明”的。
好了，演员们就位了。当一道光线（比如日光，它是所有可见光的混合体）射入奶液时，就进入了它们大显身手的时刻了。
散射——这场色彩的魔法秀
奶液呈现乳白色，关键在于一个叫做米氏散射（Mie scattering）的物理现象。简单来说，当光线遇到一个尺寸与它波长相当的粒子时，光线就会向各个方向“散开”，而不是像穿过清水一样直接穿透。
脂肪球的舞蹈： 正是那些尺寸在可见光波长范围内的脂肪球，成为了散射的“主力军”。当光线射入奶液时，它们会撞击到这些脂肪球。脂肪球的折射率（光在其中传播的速度与在空气中的速度之比）与奶液中的水相不同。正是这种折射率的差异，导致光线在遇到脂肪球时发生偏折，向四面八方散射出去。
酪蛋白胶束的助攻： 酪蛋白胶束虽然比脂肪球小，但它们也足够大，足以引起光线的散射。它们和脂肪球一起，构建了一个密集的光散射网络。
为什么是白色，而不是其他颜色？
这是一个非常关键的问题。如果脂肪球或酪蛋白胶束只散射特定波长的光，那么奶就会呈现出相应的颜色（比如蓝、黄等）。然而，它们散射的是所有可见光。
尺寸均一性（或说是分布）： 虽然脂肪球和酪蛋白胶束有大小差异，但它们的尺寸分布在一个范围内，能够有效地散射各种波长的可见光（红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫）。
米氏散射的特点： 米氏散射的一个重要特点是，当粒子尺寸远小于光波长时，散射与波长的四次方成反比（瑞利散射），这会产生蓝色。但当粒子尺寸接近或大于光波长时，散射的波长依赖性会减弱，散射趋于“无色”（即所有波长的光都被大致平等地散射）。脂肪球和一些较大的酪蛋白胶束就属于这种情况。
因此，当所有可见光都被奶液中的脂肪球和酪蛋白胶束平等地向四面八方散射开来时，进入我们眼睛的光线就成为了各种颜色混合后的白色。就像白纸能反射所有颜色的光一样，奶液也通过散射，把所有颜色的光重新混合，呈现出白色。
还有一些小细节会影响“白”的程度：
脂肪含量： 脂肪是“白”的贡献者。脂肪含量越高的奶，通常颜色会越白、越浓。这就是为什么全脂奶比脱脂奶看起来更白。
颗粒大小和均匀性： 如果脂肪球或酪蛋白胶束的大小分布发生变化，或者它们聚集得更紧密，散射效率也可能有所不同，从而影响颜色的深浅。
蛋白质的结构： 酪蛋白胶束的结构也很复杂，它们内部的蛋白质排列和分布也会影响光散射。
其他成分的微量影响： 虽然脂肪和蛋白质是主角，但一些微量的类胡萝卜素等色素也可能存在。不过，它们通常含量极低，并且它们的颜色会被大量的散射光所“掩盖”，不会让奶呈现明显的黄色。
总结一下，奶之所以是乳白色，不是因为奶液本身吸收或反射了某种特定的光，而是因为它内部充满了大量尺寸与可见光波长相当的微小颗粒（主要是脂肪球和酪蛋白胶束）。这些颗粒高效地将射入的光散射到各个方向，并且这种散射几乎不分颜色，将所有颜色的光平等地混合起来，最终在我们眼中呈现出那熟悉的、柔和的乳白色。 这是一种光学上的“伪装”，让奶液看起来浑厚而滋养。
首先，让我们看看这舞台上都有哪些“演员”：
脂肪： 这是奶白色最主要的贡献者。牛奶中的脂肪以微小的脂肪球形式存在，这些脂肪球的直径大约在0.1到20微米之间，平均直径在3微米左右。重要的是，这些脂肪球的尺寸，尤其是它们的大小分布，与可见光的波长非常接近。
蛋白质： 主要以酪蛋白（casein）的形式存在，酪蛋白会以胶束（micelles）的形式聚集。这些酪蛋白胶束也相当小，但它们比脂肪球更小一些，直径通常在50到500纳米之间。它们也是散射光的重要参与者。
乳糖和矿物质： 这些溶解在水相中的物质本身对颜色影响不大，它们是“透明”的。
好了，演员们就位了。当一道光线（比如日光，它是所有可见光的混合体）射入奶液时，就进入了它们大显身手的时刻了。
散射——这场色彩的魔法秀
奶液呈现乳白色，关键在于一个叫做米氏散射（Mie scattering）的物理现象。简单来说，当光线遇到一个尺寸与它波长相当的粒子时，光线就会向各个方向“散开”，而不是像穿过清水一样直接穿透。
脂肪球的舞蹈： 正是那些尺寸在可见光波长范围内的脂肪球，成为了散射的“主力军”。当光线射入奶液时，它们会撞击到这些脂肪球。脂肪球的折射率（光在其中传播的速度与在空气中的速度之比）与奶液中的水相不同。正是这种折射率的差异，导致光线在遇到脂肪球时发生偏折，向四面八方散射出去。
酪蛋白胶束的助攻： 酪蛋白胶束虽然比脂肪球小，但它们也足够大，足以引起光线的散射。它们和脂肪球一起，构建了一个密集的光散射网络。
为什么是白色，而不是其他颜色？
这是一个非常关键的问题。如果脂肪球或酪蛋白胶束只散射特定波长的光，那么奶就会呈现出相应的颜色（比如蓝、黄等）。然而，它们散射的是所有可见光。
尺寸均一性（或说是分布）： 虽然脂肪球和酪蛋白胶束有大小差异，但它们的尺寸分布在一个范围内，能够有效地散射各种波长的可见光（红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫）。
米氏散射的特点： 米氏散射的一个重要特点是，当粒子尺寸远小于光波长时，散射与波长的四次方成反比（瑞利散射），这会产生蓝色。但当粒子尺寸接近或大于光波长时，散射的波长依赖性会减弱，散射趋于“无色”（即所有波长的光都被大致平等地散射）。脂肪球和一些较大的酪蛋白胶束就属于这种情况。
因此，当所有可见光都被奶液中的脂肪球和酪蛋白胶束平等地向四面八方散射开来时，进入我们眼睛的光线就成为了各种颜色混合后的白色。就像白纸能反射所有颜色的光一样，奶液也通过散射，把所有颜色的光重新混合，呈现出白色。
还有一些小细节会影响“白”的程度：
脂肪含量： 脂肪是“白”的贡献者。脂肪含量越高的奶，通常颜色会越白、越浓。这就是为什么全脂奶比脱脂奶看起来更白。
颗粒大小和均匀性： 如果脂肪球或酪蛋白胶束的大小分布发生变化，或者它们聚集得更紧密，散射效率也可能有所不同，从而影响颜色的深浅。
蛋白质的结构： 酪蛋白胶束的结构也很复杂，它们内部的蛋白质排列和分布也会影响光散射。
其他成分的微量影响： 虽然脂肪和蛋白质是主角，但一些微量的类胡萝卜素等色素也可能存在。不过，它们通常含量极低，并且它们的颜色会被大量的散射光所“掩盖”，不会让奶呈现明显的黄色。
总结一下，奶之所以是乳白色，不是因为奶液本身吸收或反射了某种特定的光，而是因为它内部充满了大量尺寸与可见光波长相当的微小颗粒（主要是脂肪球和酪蛋白胶束）。这些颗粒高效地将射入的光散射到各个方向，并且这种散射几乎不分颜色，将所有颜色的光平等地混合起来，最终在我们眼中呈现出那熟悉的、柔和的乳白色。 这是一种光学上的“伪装”，让奶液看起来浑厚而滋养。
网友意见
牛奶的乳白色是结构色[1]和色素共同作用的结果。
丁达尔效应确实是牛奶浑浊的原因。但是造成光线散射的主要成分是被膜结构包被的乳脂颗粒。未经处理的牛奶中乳脂颗粒的直径在1-10μm之间[3]，白光经散射后波长基本不变。 @赵泠 答案中提到的酪蛋白胶束平均直径为150nm[4]，对应可见光波长的2πr/λ约0.3到0.6，正好处于瑞利散射和米氏散射的交界区。而瑞利散射更容易散射蓝光。因此酪蛋白胶体溶液的颜色应该为饱和度较低的蓝灰色。
那么，本该是蓝色的牛奶为什么看起来是乳白色的？这是因为牛奶中含有不少的核黄素和胡萝卜素，这两种物质在溶液中能有效的吸收蓝光。所以牛奶的颜色看起来不但一点都不蓝，甚至还有点偏黄。牛奶中一些脂肪酸和萜类物质也呈黄色。 但是这些成分较为复杂，显色受光源和其他因素影响也比较明显。暂且忽略。
牛奶中核黄素的浓度基本恒定[5]，而胡萝卜素的含量很容易受到气候和饲料成分的影响[6]。草饲牛在春夏季会从青饲料中摄入更多的胡萝卜素，导致其产出的奶偏黄。这一区别在高脂肪含量的奶制品中尤其明显。
如果牛奶经过高压均质，脂肪颗粒会被破碎至1μm以下，瑞利散射的占比上升，人眼看起来更白（其实是更偏蓝）。正常的巴氏消毒和UHT处理不会影响牛奶的外观，但如果牛奶经过多次加热则可能发生梅拉德反应，产生一些褐色物质让牛奶看起来偏黄。因此大部分国家的消费者对液体奶会有“颜色越白越新鲜”的刻板印象。因此奶农会严格控制饲料中胡萝卜素的含量。放羊奶牛的草场上如果发现了榕叶毛茛，蒲公英等含胡萝卜素较多的杂草必须及时清理，如果草料被污染可能会导致产品因为颜色不合格被压价甚至拒收。
这种做法的负面效果就是奶制品的颜色会偏浅，需要加入胭脂树橙（E160b）等食用色素才能符合一般人对奶制品的印象。
羊奶[7]，水牛奶[8]和人奶[9]中胡萝卜素含量几乎为零，因此在黄油奶酪等去掉了大部分水溶性成分的乳制品里颜色也更接近纯白。
参考
- ^ 光入射到空间周期与波长相近的物体上时，由光的散射、干涉或衍射作用而产生的颜色
- ^ https://www.eclat-digital.com/2020/06/18/1821/
- ^ https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00895542/PDF/hal-00895542.pdf
- ^ https://www.journalofdairyscience.org/article/S0022-0302(84)81332-6/pdf
- ^ https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022030241953845
- ^ https://www.journalofdairyscience.org/article/S0022-0302(07)71955-0/pdf
- ^ https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/1541-4337.12250
- ^ https://www.journalofdairyscience.org/article/S0022-0302(19)30744-1/abstract
- ^ 不考虑大量摄入外源胡萝卜素导致的溢出
自然界存在的乳汁所含的水、脂肪、蛋白质混合在一起，形成反射各个频率的可见光的微小颗粒，在白光下在人的肉眼看来倾向于白色。
以牛奶为例，其所含的酪蛋白、钙离子、磷酸盐在水中聚集在一起，形成称为酪蛋白胶束[1]的微小颗粒。照射到酪蛋白胶束上的光线会发生折射和散射，与脂肪等成分共同作用，从而让牛奶在白光下呈现白色。
- 自然状态下，由于奶牛品种不同、牧场条件不一，牛奶的颜色有一定的差别。而且，牛奶所含的浅黄色脂肪或奶油会在静置状态下逐渐漂浮到顶部，使下方的奶的颜色发生些许改变。
- 现在市售的大多数牛奶经过均质处理，让牛奶在压力下通过非常细的喷嘴，来均匀地分散脂肪和蛋白质胶束，从而创造出均匀的质地、味道和白色。
- 许多国家的食品标准允许企业调整牛奶所含的乳糖、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质，以生产出品质一致的产品。
“奶制品”是以奶为基本原料加工而成的，“奶饮品”是原料含有奶或成品像是奶的饮品，在商品名不含人们印象里有特定颜色的东西时，如果其颜色做得不像人们对奶的印象，那么就有概率引起消费者的猜疑：
- 这是有什么色素、混进了杂质还是变质了呢，会不会有害健康？
生产厂家通常都不想自找麻烦。因此，“奶制品”“奶饮品”要么做成类似奶的乳白色，要么标称“草莓牛奶饮品”“巧克力牛奶饮品”之类并做成人们印象里与那种有特定颜色的食物相对应的颜色。
参考
- ^ 胶束(Micelle)通常指在水溶液中，表面活性剂浓度达到一定值后大量形成的分子有序聚集体。酪氨酸呈略疏水性，在牛奶中被包覆在酪蛋白胶束中，这和表面活性剂形成的胶束有差别：它们的疏水端在外，胶束内部高度亲水。目前有许多不同的模型试图解释胶束内酪蛋白的特殊结构，还没有达成共识。
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