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某天在超市閑逛，盡管小編不擅長(zhǎng)烹飪，但還是被琳瑯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……一大片花里胡哨的紅，那種色彩傳遞的鮮嫩感讓人真有食欲。

不對(duì)，突然想到一個(gè)問題，新鮮的肉為什么泛紅？

圖1 牛肉片 圖片來源：pexels

說起顏色，就從小編拿手的可見光光譜開始。人們可以感知顏色是由于視細(xì)胞受到可見光范圍的電磁波的刺激。而物體的顏色由它的反射光譜決定，這和物質(zhì)本身的物理屬性以及表面結(jié)構(gòu)等因素相關(guān)。

圖2 電磁波 圖片來源：維基百科

我們從最基本的元素特征顏色入手。以我們熟知的焰色實(shí)驗(yàn)為例，在燃燒一些金屬單質(zhì)或其化合物時(shí)火焰會(huì)出現(xiàn)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(huì)從能量較低的軌道躍遷至能量更高的軌道，隨著時(shí)間的流淌，電子會(huì)回到能量較低的軌道，這個(gè)過程會(huì)釋放光子。

圖3 金屬元素的焰色反應(yīng) 圖片來源：yiqi

圖4 電子從激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)輻射光子 圖片來源：Kevin Wayne

釋放光子的波長(zhǎng)（λ）與原子軌道能級(jí)差（?E）的關(guān)系是?E = hν = hc/λ，其中h、ν和c分別為普朗克常數(shù)、頻率和光速。不同元素中電子軌道的能級(jí)差不同，因此元素具有一系列特征光譜線。若光子的波長(zhǎng)落在可見光范圍內(nèi)，則可被人眼感知。以金屬Na為例，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，由于其精細(xì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致光譜中出現(xiàn)雙線，波長(zhǎng)為589.0 nm和589.6 nm，均在黃色波段，所以我們?cè)贜a元素的焰色反應(yīng)中看到了明黃色火焰。

那回到我們吃的肉，為什么會(huì)vb表現(xiàn)為不同的紅色？這主要來源于肌紅蛋白。首先，我們來了解一下肌紅蛋白，它是由153個(gè)氨基酸組成的單鏈蛋白質(zhì)，分子量為16700道爾頓。肌紅蛋白存在于肌肉中可以儲(chǔ)存和釋放氧氣，對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)發(fā)揮了重要的作用。肌紅蛋白儲(chǔ)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(jié)構(gòu) 圖片來源：維基百科

當(dāng)肌紅蛋白未與氧氣結(jié)合時(shí)，鐵為正二價(jià)，每個(gè)亞鐵離子與五個(gè)氮原子配位，形成(FeN5)基團(tuán)，結(jié)構(gòu)為金字塔型。五個(gè)氮原子中四個(gè)來自吡咯環(huán)，一個(gè)來自多肽鏈中的組氨酸。而與氧氣結(jié)合后，鐵的價(jià)態(tài)存在爭(zhēng)議，可能既有二價(jià)又有三價(jià)。此時(shí)鐵離子除了與氮配位外，還直接與氧分子成鍵，形成(FeN5O)基團(tuán)，為八面體結(jié)構(gòu)。下面我們?cè)敿?xì)分析其中電子的軌道排布：

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

圖6 3d軌道的電子云 圖片來源：維基百科

當(dāng)Fe2+離子與5個(gè)氮原子配位后，3d軌道電子云與氮原子相互作用使5個(gè)軌道的能量出現(xiàn)了差異，由低到高分別為dxz/dyz、dxy、dz2、dx2-y2（dxz與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，它們的高低代表軌道能量的大小。每個(gè)箭頭代表一個(gè)電子，它們的朝向代表了電子的自旋方向。圖7左圖中無氧Fe2+離子的電子排布僅展示了高自旋態(tài)的情形，實(shí)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(tuán)中的電子排布 圖片來源：Libretexts-Chemistry

另外一種情況，即氧氣分子進(jìn)入肌紅蛋白。首先，對(duì)于氧氣分子，來自不同氧原子2p軌道的電子間會(huì)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(jié)果是σ鍵和π鍵被填滿，σ*鍵上沒有電子占據(jù)，而π*鍵只填充一半。當(dāng)肌紅蛋白與氧氣結(jié)合時(shí)，鐵離子與氧原子成鍵，此時(shí)O-O鍵中π*鍵上的兩個(gè)電子又會(huì)和鐵離子的3d電子成鍵，分別為：與dz2軌道成σ/σ*鍵，與dyz軌道成π/π*鍵。成鍵后，鐵離子3d軌道與Fe-O鍵軌道形成了一個(gè)共同的Fe-O2能級(jí)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)電子軌道的能量高低如圖7中間所示。圖中的電子排布僅展示了低自旋的情形，實(shí)際的Fe-O2系統(tǒng)中電子也有多種排布方式。

現(xiàn)在我們討論與肌紅蛋白成色相關(guān)的電子躍遷。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無論在無氧Fe2+離子基團(tuán)還是Fe-O2系統(tǒng)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(jí)排布不同，導(dǎo)致它們的吸收光譜不同。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(duì)波長(zhǎng)小于600 nm的光有明顯的吸收，導(dǎo)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(duì)波長(zhǎng)小于550 nm的光吸收減弱，在600-700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光吸收相對(duì)含氧肌紅蛋白增強(qiáng)，導(dǎo)致外觀偏紫紅色。活的動(dòng)物體內(nèi)由于肌紅蛋白攜帶的氧含量充足所以肌肉呈現(xiàn)鮮紅色。而運(yùn)送到超市的鮮肉由于脫離母體的氧氣供給，肌紅蛋白釋放氧氣使它暫時(shí)呈現(xiàn)紫紅色。久置于空氣后，肉表面的無氧肌紅蛋白會(huì)與空氣中的氧氣再次結(jié)合形成含氧肌紅蛋白而呈現(xiàn)鮮紅色，但肉的內(nèi)部仍處于少氧狀態(tài)，呈紫紅色。當(dāng)氧化過度例如制成臘肉后，肌紅蛋白會(huì)轉(zhuǎn)化成高鐵肌紅蛋白，呈現(xiàn)棕褐色。一些商家在腌制肉時(shí)，為了保持肉的紅色，會(huì)添加一定量的亞硝酸鹽。亞硝酸根經(jīng)自身氧化還原反應(yīng)后，一部分會(huì)轉(zhuǎn)化成一氧化氮，一氧化氮會(huì)與肌紅蛋白結(jié)合形成一氧化氮肌紅蛋白，它的吸收光譜與含氧肌紅蛋白相似，所以肉呈現(xiàn)紅色。但是，亞硝酸鹽對(duì)人體有一定的危害，國(guó)家對(duì)它的添加量有嚴(yán)格的限制。

圖8 肌紅蛋白的吸收光譜[2]

說了這么久，再次回到隔壁花里胡哨的三文魚。當(dāng)肉中肌紅蛋白的占比發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)從宏觀上表現(xiàn)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(dá)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鲹。哦對(duì)了，還有好看的橘色鮭魚，它可以捕食小型甲殼綱動(dòng)物而獲得蝦青素，并儲(chǔ)存到自身的肌紅細(xì)胞中，進(jìn)而將肉的淡紅色暈染成橘色。不同的生活環(huán)境、習(xí)性等因素導(dǎo)致了動(dòng)物體內(nèi)肌紅蛋白含量的不同，進(jìn)而表現(xiàn)出不同的肉色。這像極了國(guó)畫中的顏料調(diào)色，當(dāng)白色混合不同比例的紅色時(shí)，可以調(diào)出從乳白、淡粉、深粉、玫紅再到正紅色的過渡。

圖9 快速游動(dòng)的月魚 圖片來源：微博 薩爾茨堡的魚

圖10 黃帶擬鲹刺身（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(guó)畫顏料調(diào)色

最后，朋友們，多多運(yùn)動(dòng)，我們的肉也會(huì)變色吧。

參考文獻(xiàn)：

[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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