我吃的肉里都有量子力学了？

一天，我在超市闲逛尽管边肖不擅长烹饪，她仍然被各式各样的厚牛排和羊腿所吸引新鲜的红色让人们看着隔壁的鲑鱼它是红色，西瓜红，暖橙色，浅粉色...很多漂亮的红色那种色彩传递的新鲜感真的让人有食欲不，我突然想到一个问题为什么鲜肉是红色的

图1牛肉片摄影

说到颜色，先说边肖擅长的可见光光谱人之所以能感知颜色，是因为视觉细胞受到可见光范围内电磁波的刺激物体的颜色是由其反射光谱决定的，反射光谱与物质本身的物理性质和表面结构有关

图2电磁波

先说最基本的元素，特点，色彩以众所周知的火焰颜色实验为例当一些简单的金属或它们的化合物燃烧时，火焰会有特有的颜色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跳到能量较高的轨道伴随着时间的推移，电子会回到能量较低的轨道，这个过程会释放光子

图3金属元素的火焰反应

图4从激发态到基态的辐射光子

释放光子的波长与原子轨道能级差的关系为E = H ν = HC/λ，其中H，ν，C分别为普朗克常数，频率，光速不同元素中电子轨道的能级不同，所以元素有一系列特征谱线如果一个光子的波长落在可见光范围内，它就能被人眼感知以金属Na为例，其特征光谱来自电子在可见光波段3p轨道和3s轨道之间的跃迁由于其结构精细，光谱中有双线，波长分别为589.0 nm和589.6 nm，都在黄色波段，所以在Na元素的火焰反应中我们可以看到明亮的黄色火焰

图5肌红蛋白的结构

当肌红蛋白不与氧结合时，铁为正二价，每个亚铁离子与五个氮原子配位形成金字塔结构的基团五个氮原子中有四个来自吡咯环，一个来自多肽链中的组氨酸但与氧结合后，铁的价态有争议，可能有二价和三价两种此时铁离子不仅与氮配位，还直接与氧分子结合形成基团，具有八面体结构

无氧条件下，肌红蛋白中Fe2+离子的电子排布为1s22s22p63s23p63d6一般来说，3d电子对Fe2+离子的物理化学性质影响最明显3d轨道可以细分为五个轨道:dxy，dxz，dyz，dx2—y2和dz2在孤立的Fe2+离子中，这五个轨道具有相同的能量，但电子云的形状或取向不同，如图6所示

图6三维轨道上的电子云

当Fe2+离子与五个氮原子配位时，3d轨道电子云与氮原子的相互作用使得五个轨道的能量不同，从低到高依次为dxz/dyz，dxy，dz2，dx2—y2，如图7左图所示图中横线代表电子轨道，其高度代表轨道能量每个箭头代表一个电子，它们的方向代表电子的自旋方向图7左图中无氧Fe2+离子的电子构型仅显示高自旋态，实际无氧肌红蛋白具有各种电子构型

图7肌红蛋白铁配位基的电子构型。

在另一种情况下，氧分子进入肌红蛋白首先，对于氧分子，来自不同氧原子的2p轨道的电子之间会形成σ/σ *键和π/π *键，电子按照σ，π，π *和σ *键的顺序填充填充的结果是σ键和π键被填充，σ *键没有被电子占据，π *键只填充了一半当肌红蛋白与氧结合时，铁离子与氧原子结合，此时O—O键中π *键上的两个电子会与铁离子的3d电子结合，即与dz2轨道形成σ/σ *键，与dyz轨道形成π/π *键成键后，铁离子的3d轨道和Fe—O键轨道形成一个共同的Fe—O2能级系统，系统中电子轨道的能级如图7中间所示图中的电子组态只显示了低自旋的情况，实际Fe—O2体系中的电子也有各种排列

现在我们讨论与肌红蛋白颜色有关的电子跃迁发现无论在无氧Fe2+离子群还是Fe—O2体系中，电子都可以在图7所示的轨道之间跃迁，跃迁过程可以吸收可见光但是，它们的能级不同，导致它们的吸收光谱不同图8显示了含有氧，氧，铁和一氧化氮的肌红蛋白的吸收光谱氧化肌球蛋白能明显吸收波长小于600 nm的光，导致其反射光，即外观呈红色相比较而言，无氧肌红蛋白对小于550 nm波长的光的吸收减弱，对600—700 nm波长范围内的光的吸收强于有氧肌红蛋白，导致外观呈紫红色因为肌红蛋白携带的氧含量在活体动物中是充足的，所以肌肉呈鲜红色而送到超市的鲜肉是脱离母体供氧的，肌红蛋白释放氧气使其暂时呈紫色长时间放置在空气中，肉表面的厌氧肌红蛋白会与空气中的氧气再次结合，形成氧合肌红蛋白，呈鲜红色，但肉内部仍处于缺氧状态，呈紫红色当它被过度氧化时，比如做成腊肉，肌红蛋白就会转化成高铁肌红蛋白，呈现棕褐色有些商家在腌制时，为了保持肉的红色，会添加一定量的亚硝酸盐亚硝酸盐氧化还原反应后，部分亚硝酸盐会转化为一氧化氮，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和氧合肌红蛋白相似，所以肉是红色的但亚硝酸盐对人体有害，国家对其添加有严格限制

图8肌红蛋白的吸收光谱

说了这么久，我又回到了隔壁那家俗气的三文鱼当肌红蛋白在肉类中的比例发生变化时，在宏观上就会呈现出不同的红色在不同种类的鱼被做成刺身之前，会有一些健身的伸手鱼上蹿下跳，比如绛月鱼，金枪鱼等，看起来很像牛肉还有一些鱼悠闲地平躺在海底，比如粉腹黄尾哦，对了，还有好看的橙色三文鱼，可以捕食小型甲壳类动物获取虾青素，并储存在自己的肌肉红细胞中，然后将肉的微红颜色变成橙色不同的生活环境，习惯等因素导致动物体内肌红蛋白含量不同，进而表现出不同的肉色这和国画中颜料的配色很像当白色与不同比例的红色混合时，可以调出乳白色，浅粉色，深粉色，玫红到正红的过渡

图9快速游动的月鱼

图10黄丝带刺身和三文鱼刺身

图11国画颜料的配色

最后，朋友们，多做运动，我们的肉就会变色。

参考

肌红蛋白中血红素复合物的电子结构和配位几何化学物理杂志，1978，68: 1913—1925

肉中发现的各种肌红蛋白衍生物的吸收光谱的一些观察肉类科学，1996，42: 277—288

来自萨尔茨堡鱼的新浪微博

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