我吃的肉里都有量子力學(xué)了？

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)。

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

釋放光子的波長（λ）與原子軌道能級差（?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差不同，因此元素具有一系列特征光譜線。若光子的波長落在可見光范圍內(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，波長為 589.0 nm 和 589.6 nm，均在黃色波段，所以我們在 Na 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 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存和釋放氧氣，對肌肉運動發(fā)揮了重要的作用。肌紅蛋白儲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。

當(dāng)肌紅蛋白未與氧氣結(jié)合時，鐵為正二價，每個亞鐵離子與五個氮原子配位，形成 (FeN5) 基團(tuán)，結(jié)構(gòu)為金字塔型。五個氮原子中四個來自吡咯環(huán)，一個來自多肽鏈中的組氨酸。而與氧氣結(jié)合后，鐵的價態(tài)存在爭議，可能既有二價又有三價。此時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)。下面我們詳細(xì)分析其中電子的軌道排布：

當(dāng)不結(jié)合氧氣時，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 Fe²⁺ 離子理化性質(zhì)的影響最明顯。3d 軌道又可以細(xì)分為 d_xy、d_xz、d_yz、d_x2-y2、d_z2 五個軌道。在孤立的 Fe²⁺ 離子中，這 5 個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。

當(dāng) Fe²⁺ 離子與 5 個氮原子配位后，3d 軌道電子云與氮原子相互作用使 5 個軌道的能量出現(xiàn)了差異，由低到高分別為 d_xz/d_yz、d_xy、d_z2、d_x2-y2（d_xz 與 d_yz 的能量相等）[7]，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。每個箭頭代表一個電子，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，實際的無氧肌紅蛋白中 Fe²⁺ 離子有多種電子排布。

另外一種情況，即氧氣分子進(jìn)入肌紅蛋白。首先，對于氧氣分子，來自不同氧原子 2p 軌道的電子間會形成 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，鐵離子與氧原子成鍵，此時 O-O 鍵中 π* 鍵上的兩個電子又會和鐵離子的 3d 電子成鍵，分別為：與 d_z2 軌道成 σ/σ* 鍵，與 d_yz 軌道成 π/π* 鍵。成鍵后，鐵離子 3d 軌道與 Fe-O 鍵軌道形成了一個共同的 Fe-O₂ 能級系統(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。實驗發(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。含氧肌紅蛋白對波長小于 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，無氧肌紅蛋白對波長小于 550 nm 的光吸收減弱，在 600-700 nm 波長范圍內(nèi)的光吸收相對含氧肌紅蛋白增強(qiáng)，導(dǎo)致外觀偏紫紅色。活的動物體內(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呈現(xiàn)紫紅色。久置于空氣后，肉表面的無氧肌紅蛋白會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，為了保持肉的紅色，會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，一部分會轉(zhuǎn)化成一氧化氮，一氧化氮會與肌紅蛋白結(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，亞硝酸鹽對人體有一定的危害，國家對它的添加量有嚴(yán)格的限制。

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，就會從宏觀上表現(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，并儲存到自身的肌紅細(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。這像極了國畫中的顏料調(diào)色，當(dāng)白色混合不同比例的紅色時，可以調(diào)出從乳白、淡粉、深粉、玫紅再到正紅色的過渡。

最后，朋友們，多多運動，我們的肉也會變色吧。

參考文獻(xiàn)

• [1] 摘自站酷（ZCOOL），https://img.zcool.cn/ community / 0780db6246a8b40002db57064bdee2.jpg

• [2] 摘自維基百科，https://wikipedia.org/ [J].

• [3] 摘自儀器網(wǎng)，https://www.yiqi.com/ retiao / detail_2596.html

• [4] 摘自知乎《為什么焰色反應(yīng)是物理變化？金屬放到火上不是會燃燒嗎？》中 Kevin Wayne 的回答，https://www.zhihu.com/ question / 436486528 / answer / 2375592574

• [5] 摘自維基百科，https://wikipedia.org/

• [6] 摘自維基百科，https://wikipedia.org/

• [7] 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.

• [8] 摘自 Libretexts-Chemistry，https://chem.libretexts.org/

• [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] 摘自薩爾茨堡的魚的新浪微博

• [11] 摘自薩爾茨堡的魚的新浪微博

• [12] 摘自維基百科，https://wikipedia.org/

• [13] 摘自國畫藝術(shù)公眾號，ID：quicksnowfall

本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：周均言，審稿：金士鋒

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