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某天在超市閑逛，盡管小編不擅長烹飪，但還是被琳琅滿目的厚切牛排和羊腿肉吸引。

那種新鮮的紅色讓人……而且你看隔壁的三文魚，正紅色、西瓜紅色、暖橘色、淺粉色……一大片花裏胡哨的紅，那種色彩傳(chuan) 遞的鮮嫩感讓人真有食欲。

不對，突然想到一個(ge) 問題，新鮮的肉為(wei) 什麽(me) 泛紅？

圖1 牛肉片 圖片來源：pexels

說起顏色，就從(cong) 小編拿手的可見光光譜開始。人們(men) 可以感知顏色是由於(yu) 視細胞受到可見光範圍的電磁波的刺激。而物體(ti) 的顏色由它的反射光譜決(jue) 定，這和物質本身的物理屬性以及表麵結構等因素相關(guan) 。

圖2 電磁波 圖片來源：維基百科

我們(men) 從(cong) 最基本的元素特征顏色入手。以我們(men) 熟知的焰色實驗為(wei) 例，在燃燒一些金屬單質或其化合物時火焰會(hui) 出現特征顏色。其原理是，在燃燒過程中，原子中的電子吸收能量，會(hui) 從(cong) 能量較低的軌道躍遷至能量更高的軌道，隨著時間的流淌，電子會(hui) 回到能量較低的軌道，這個(ge) 過程會(hui) 釋放光子。

圖3 金屬元素的焰色反應 圖片來源：yiqi

圖4 電子從(cong) 激發態躍遷至基態輻射光子 圖片來源：Kevin Wayne

釋放光子的波長（λ）與(yu) 原子軌道能級差（∆E）的關(guan) 係是∆E = hν = hc/λ，其中h、ν和c分別為(wei) 普朗克常數、頻率和光速。不同元素中電子軌道的能級差不同，因此元素具有一係列特征光譜線。若光子的波長落在可見光範圍內(nei) ，則可被人眼感知。以金屬Na為(wei) 例，其特征光譜在可見光波段來自3p軌道和3s軌道間電子的躍遷，由於(yu) 其精細結構導致光譜中出現雙線，波長為(wei) 589.0 nm和589.6 nm，均在黃色波段，所以我們(men) 在Na元素的焰色反應中看到了明黃色火焰。

那回到我們(men) 吃的肉，為(wei) 什麽(me) 會(hui) vb表現為(wei) 不同的紅色？這主要來源於(yu) 肌紅蛋白。首先，我們(men) 來了解一下肌紅蛋白，它是由153個(ge) 氨基酸組成的單鏈蛋白質，分子量為(wei) 16700道爾頓。肌紅蛋白存在於(yu) 肌肉中可以儲(chu) 存和釋放氧氣，對肌肉運動發揮了重要的作用。肌紅蛋白儲(chu) 存和釋放氧氣的過程伴隨著其中鐵元素配位的變化，如圖5所示。

圖5 肌紅蛋白的結構 圖片來源：維基百科

當肌紅蛋白未與(yu) 氧氣結合時，鐵為(wei) 正二價(jia) ，每個(ge) 亞(ya) 鐵離子與(yu) 五個(ge) 氮原子配位，形成(FeN5)基團，結構為(wei) 金字塔型。五個(ge) 氮原子中四個(ge) 來自吡咯環，一個(ge) 來自多肽鏈中的組氨酸。而與(yu) 氧氣結合後，鐵的價(jia) 態存在爭(zheng) 議，可能既有二價(jia) 又有三價(jia) 。此時鐵離子除了與(yu) 氮配位外，還直接與(yu) 氧分子成鍵，形成(FeN5O)基團，為(wei) 八麵體(ti) 結構。下麵我們(men) 詳細分析其中電子的軌道排布：

當不結合氧氣時，肌紅蛋白中Fe2+離子的電子排布式為(wei) 1s22s22p63s23p63d6。一般而言，這些電子中3d電子對Fe2+離子理化性質的影響最明顯。3d軌道又可以細分為(wei) dxy、dxz、dyz、dx2-y2、dz2五個(ge) 軌道。在孤立的Fe2+離子中，這5個(ge) 軌道具有相同的能量，但電子雲(yun) 的形狀或取向不相同，見圖6。

圖6 3d軌道的電子雲(yun) 圖片來源：維基百科

當Fe2+離子與(yu) 5個(ge) 氮原子配位後，3d軌道電子雲(yun) 與(yu) 氮原子相互作用使5個(ge) 軌道的能量出現了差異，由低到高分別為(wei) dxz/dyz、dxy、dz2、dx2-y2（dxz與(yu) dyz的能量相等）[1]，如圖7左圖所示。圖中的橫線代表電子軌道，它們(men) 的高低代表軌道能量的大小。每個(ge) 箭頭代表一個(ge) 電子，它們(men) 的朝向代表了電子的自旋方向。圖7左圖中無氧Fe2+離子的電子排布僅(jin) 展示了高自旋態的情形，實際的無氧肌紅蛋白中Fe2+離子有多種電子排布。

圖7 肌紅蛋白鐵離子配位基團中的電子排布 圖片來源：Libretexts-Chemistry

另外一種情況，即氧氣分子進入肌紅蛋白。首先，對於(yu) 氧氣分子，來自不同氧原子2p軌道的電子間會(hui) 形成σ/σ*鍵和π/π*鍵，電子按照σ鍵、π鍵、π*鍵、σ*鍵的順序依次填充。填充的結果是σ鍵和π鍵被填滿，σ*鍵上沒有電子占據，而π*鍵隻填充一半。當肌紅蛋白與(yu) 氧氣結合時，鐵離子與(yu) 氧原子成鍵，此時O-O鍵中π*鍵上的兩(liang) 個(ge) 電子又會(hui) 和鐵離子的3d電子成鍵，分別為(wei) ：與(yu) dz2軌道成σ/σ*鍵，與(yu) dyz軌道成π/π*鍵。成鍵後，鐵離子3d軌道與(yu) Fe-O鍵軌道形成了一個(ge) 共同的Fe-O2能級係統，係統內(nei) 電子軌道的能量高低如圖7中間所示。圖中的電子排布僅(jin) 展示了低自旋的情形，實際的Fe-O2係統中電子也有多種排布方式。

現在我們(men) 討論與(yu) 肌紅蛋白成色相關(guan) 的電子躍遷。實驗發現，無論在無氧Fe2+離子基團還是Fe-O2係統中，電子都可以在圖7所示的軌道間躍遷，躍遷過程可以吸收可見光。但是二者的能級排布不同，導致它們(men) 的吸收光譜不同。圖8展示了含氧、無氧、高鐵和一氧化氮肌紅蛋白的吸收光譜。含氧肌紅蛋白對波長小於(yu) 600 nm的光有明顯的吸收，導致其反射光也就是外觀顯紅色（紅色波段：622-770 nm）。相較而言，無氧肌紅蛋白對波長小於(yu) 550 nm的光吸收減弱，在600-700 nm波長範圍內(nei) 的光吸收相對含氧肌紅蛋白增強，導致外觀偏紫紅色。活的動物體(ti) 內(nei) 由於(yu) 肌紅蛋白攜帶的氧含量充足所以肌肉呈現鮮紅色。而運送到超市的鮮肉由於(yu) 脫離母體(ti) 的氧氣供給，肌紅蛋白釋放氧氣使它暫時呈現紫紅色。久置於(yu) 空氣後，肉表麵的無氧肌紅蛋白會(hui) 與(yu) 空氣中的氧氣再次結合形成含氧肌紅蛋白而呈現鮮紅色，但肉的內(nei) 部仍處於(yu) 少氧狀態，呈紫紅色。當氧化過度例如製成臘肉後，肌紅蛋白會(hui) 轉化成高鐵肌紅蛋白，呈現棕褐色。一些商家在醃製肉時，為(wei) 了保持肉的紅色，會(hui) 添加一定量的亞(ya) 硝酸鹽。亞(ya) 硝酸根經自身氧化還原反應後，一部分會(hui) 轉化成一氧化氮，一氧化氮會(hui) 與(yu) 肌紅蛋白結合形成一氧化氮肌紅蛋白，它的吸收光譜與(yu) 含氧肌紅蛋白相似，所以肉呈現紅色。但是，亞(ya) 硝酸鹽對人體(ti) 有一定的危害，國家對它的添加量有嚴(yan) 格的限製。

圖8 肌紅蛋白的吸收光譜[2]

說了這麽(me) 久，再次回到隔壁花裏胡哨的三文魚。當肉中肌紅蛋白的占比發生變化時，就會(hui) 從(cong) 宏觀上表現出不同的紅色。不同種類的魚在做成生魚片前，有的是健身“達魚”，上躥下跳，例如顏色像極了牛肉色澤的深紅色月魚、金槍魚；還有的魚慢慢悠悠，躺平海底，例如粉撲撲的黃帶擬鯵。哦對了，還有好看的橘色鮭魚，它可以捕食小型甲殼綱動物而獲得蝦青素，並儲(chu) 存到自身的肌紅細胞中，進而將肉的淡紅色暈染成橘色。不同的生活環境、習(xi) 性等因素導致了動物體(ti) 內(nei) 肌紅蛋白含量的不同，進而表現出不同的肉色。這像極了國畫中的顏料調色，當白色混合不同比例的紅色時，可以調出從(cong) 乳白、淡粉、深粉、玫紅再到正紅色的過渡。

圖9 快速遊動的月魚 圖片來源：微博 薩爾茨堡的魚

圖10 黃帶擬鯵刺身（左）圖片來源：微博

薩爾茨堡的魚 鮭魚刺身（右）圖片來源：維基百科

圖11 國畫顏料調色

最後，朋友們(men) ，多多運動，我們(men) 的肉也會(hui) 變色吧。

參考文獻：

[1]Churg A K, Makinen M W. The electronic structure and coordination geometry of the oxyheme complex in myoglobin. The Journal of Chemical Physics, 1978, 68(4): 1913-1925.

[2] Millar S J, Moss B W, Stevenson M H. Some observations on the absorption spectra of various myoglobin derivatives found in meat. Meat Science, 1996, 42(3): 277-288.

作者：小米粒

來源：中科院物理所

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