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我吃的肉里都有量子力学了?

某天在超市闲逛,尽管小编不擅长烹饪,但还是被琳琅满目的厚切牛排和羊腿肉吸引,那种新鲜的红色让人‧‧‧,而且你看隔壁的三文鱼,正红色、西瓜红色、暖橘色、浅粉色……一大片花里胡哨的红,那种色彩传递的鲜嫩感让人真有食欲。不对,突然想到一个问题,新鲜的肉为什么泛红?

图1 牛肉片摄影[1](肉片尽情享用,无糖就是零卡)

说起颜色,就从小编拿手的可见光光谱开始。人们可以感知颜色是由于视细胞受到可见光范围的电磁波的刺激。而物体的颜色由它的反射光谱决定,这和物质本身的物理属性以及表面结构等因素相关。

图2 电磁波[2]

我们从最基本的元素特征颜色入手。以我们熟知的焰色实验为例,在燃烧一些金属单质或其化合物时火焰会出现特征颜色。其原理是,在燃烧过程中,原子中的电子吸收能量,会从能量较低的轨道跃迁至能量更高的轨道,随着时间的流淌,电子会回到能量较低的轨道,这个过程会释放光子。

图3 金属元素的焰色反应[3]

图4 电子从激发态跃迁至基态辐射光子[4]

释放光子的波长(λ)与原子轨道能级差(e)的关系是∆e = = hc/λ,其中hνc分别为普朗克常数、频率和光速。不同元素中电子轨道的能级差不同,因此元素具有一系列特征光谱线。若光子的波长落在可见光范围内,则可被人眼感知。以金属na为例,其特征光谱在可见光波段来自3p轨道和3s轨道间电子的跃迁,由于其精细结构导致光谱中出现双线,波长为589.0 nm和589.6 nm,均在黄色波段,所以我们在na元素的焰色反应中看到了明黄色火焰。

那回到我们吃的肉,为什么会vb表现为不同的红色?这主要来源于肌红蛋白。首先,我们来了解一下肌红蛋白,它是由153个氨基酸组成的单链蛋白质,分子量为16700道尔顿。肌红蛋白存在于肌肉中可以储存和释放氧气,对肌肉运动发挥了重要的作用。肌红蛋白储存和释放氧气的过程伴随着其中铁元素配位的变化,如图5所示。

图5 肌红蛋白的结构[5]

当肌红蛋白未与氧气结合时,铁为正二价,每个亚铁离子与五个氮原子配位,形成(fen)基团,结构为金字塔型。五个氮原子中四个来自吡咯环,一个来自多肽链中的组氨酸。而与氧气结合后,铁的价态存在争议,可能既有二价又有三价。此时铁离子除了与氮配位外,还直接与氧分子成键,形成(feno)基团,为八面体结构。下面我们详细分析其中电子的轨道排布:

当不结合氧气时,肌红蛋白中fe离子的电子排布式为1s2s2p3s3p3d一般而言,这些电子中3d电子对fe离子理化性质的影响最明显。3d轨道又可以细分为ddddd五个轨道。在孤立的fe离子中,这5个轨道具有相同的能量,但电子云的形状或取向不相同,见图6。

图6 3d轨道的电子云[6]

当fe离子与5个氮原子配位后,3d轨道电子云与氮原子相互作用使5个轨道的能量出现了差异,由低到高分别为d/dddddd的能量相等)[7],如图7左图所示。图中的横线代表电子轨道,它们的高低代表轨道能量的大小。每个箭头代表一个电子,它们的朝向代表了电子的自旋方向。图7左图中无氧fe离子的电子排布仅展示了高自旋态的情形,实际的无氧肌红蛋白中fe离子有多种电子排布。

图7 肌红蛋白铁离子配位基团中的电子排布[8]

另外一种情况,即氧气分子进入肌红蛋白。首先,对于氧气分子,来自不同氧原子2p轨道的电子间会形成σ/σ*键和π/π*键,电子按照σ键、π键、π*键、σ*键的顺序依次填充。填充的结果是σ键和π键被填满,σ*键上没有电子占据,而π*键只填充一半。当肌红蛋白与氧气结合时,铁离子与氧原子成键,此时o-o键中π*键上的两个电子又会和铁离子的3d电子成键,分别为:与d轨道成σ/σ*键,与d轨道成π/π*键。成键后,铁离子3d轨道与fe-o键轨道形成了一个共同的fe-o能级系统,系统内电子轨道的能量高低如图7中间所示。图中的电子排布仅展示了低自旋的情形,实际的fe-o系统中电子也有多种排布方式。

现在我们讨论与肌红蛋白成色相关的电子跃迁。实验发现,无论在无氧fe离子基团还是fe-o系统中,电子都可以在图7所示的轨道间跃迁,跃迁过程可以吸收可见光。但是二者的能级排布不同,导致它们的吸收光谱不同。图8展示了含氧、无氧、高铁和一氧化氮肌红蛋白的吸收光谱。含氧肌红蛋白对波长小于600 nm的光有明显的吸收,导致其反射光也就是外观显红色(红色波段:622-770 nm)。相较而言,无氧肌红蛋白对波长小于550 nm的光吸收减弱,在600-700 nm波长范围内的光吸收相对含氧肌红蛋白增强,导致外观偏紫红色。活的动物体内由于肌红蛋白携带的氧含量充足所以肌肉呈现鲜红色。而运送到超市的鲜肉由于脱离母体的氧气供给,肌红蛋白释放氧气使它暂时呈现紫红色。久置于空气后,肉表面的无氧肌红蛋白会与空气中的氧气再次结合形成含氧肌红蛋白而呈现鲜红色,但肉的内部仍处于少氧状态,呈紫红色。当氧化过度例如制成腊肉后,肌红蛋白会转化成高铁肌红蛋白,呈现棕褐色。一些商家在腌制肉时,为了保持肉的红色,会添加一定量的亚硝酸盐。亚硝酸根经自身氧化还原反应后,一部分会转化成一氧化氮,一氧化氮会与肌红蛋白结合形成一氧化氮肌红蛋白,它的吸收光谱与含氧肌红蛋白相似,所以肉呈现红色。但是,亚硝酸盐对人体有一定的危害,国家对它的添加量有严格的限制。

图8 肌红蛋白的吸收光谱[9]

说了这么久,再次回到隔壁花里胡哨的三文鱼。当肉中肌红蛋白的占比发生变化时,就会从宏观上表现出不同的红色。不同种类的鱼在做成生鱼片前,有的是健身“达鱼”,上蹿下跳,例如颜色像极了牛肉色泽的深红色月鱼、金枪鱼;还有的鱼慢慢悠悠,躺平海底,例如粉扑扑的黄带拟鲹。哦对了,还有好看的橘色鲑鱼,它可以捕食小型甲壳纲动物而获得虾青素,并储存到自身的肌红细胞中,进而将肉的淡红色晕染成橘色。不同的生活环境、习性等因素导致了动物体内肌红蛋白含量的不同,进而表现出不同的肉色。这像极了国画中的颜料调色,当白色混合不同比例的红色时,可以调出从乳白、淡粉、深粉、玫红再到正红色的过渡。

图9 快速游动的月鱼[10]

图10 黄带拟鲹刺身[11](左)和鲑鱼刺身[12](右)

图11 国画颜料调色[13]

最后,朋友们,多多运动,我们的肉也会变色吧。

参考文献

[1] 摘自站酷(zcool),***munity/0780db6246a8b40002db57064bdee2.jpg

[2] 摘自维基百科, ***/retiao/detail_2596.html

[4] 摘自知乎《为什么焰色反应是物理变化?金属放到火上不是会燃烧吗?》中kevin wayne的回答,***/question/436486528/answer/2375592574

[5] 摘自维基百科***plex in myoglobin. the journal of chemical physics, 1978, 68(4): 1913-1925.

[8] 摘自libretexts-chemistry***chem.libretexts***/

[9] 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.

[10] 摘自萨尔茨堡的鱼的新浪微博

[11] 摘自萨尔茨堡的鱼的新浪微博

[12] 摘自维基百科***wikipedia***/

[13] 摘自国画艺术***id:quicksnowfall

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