某天在超市閑逛，盡管小編不擅長烹饪，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……一大片花裡胡哨的紅，那種色彩傳遞的鮮嫩感讓人真有食欲。不對，突然想到一個問題，新鮮的肉為什麼泛紅？
圖1 牛肉片攝影[1]（肉片盡情享用，無糖就是零卡）
說起顔色，就從小編拿手的可見光光譜開始。人們可以感覺顔色是由于視細胞受到可見光範圍的電磁波的刺激。而物體的顔色由它的反射光譜決定，這和物質本身的實體屬性以及表面結構等因素相關。
圖2 電磁波[2]
我們從最基本的元素特征顔色入手。以我們熟知的焰色實驗為例，在燃燒一些金屬單質或其化合物時火焰會出現特征顔色。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，随着時間的流淌，電子會回到能量較低的軌道，這個過程會釋放光子。
圖3 金屬元素的焰色反應[3]
圖4 電子從激發态躍遷至基态輻射光子[4]
釋放光子的波長（λ）與原子軌道能級差（ E）的關系是 E = hν = hc/λ，其中h、ν和c分别為普朗克常數、頻率和光速。不同元素中電子軌道的能級差不同，是以元素具有一系列特征光譜線。若光子的波長落在可見光範圍内，則可被人眼感覺。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，由于其精細結構導緻光譜中出現雙線，波長為589.0 nm和589.6 nm，均在黃色波段，是以我們在Na元素的焰色反應中看到了明黃色火焰。
那回到我們吃的肉，為什麼會vb表現為不同的紅色？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個氨基酸組成的單鍊蛋白質，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，對肌肉運動發揮了重要的作用。肌紅蛋白儲存和釋放氧氣的過程伴随着其中鐵元素配位的變化，如圖5所示。
圖5 肌紅蛋白的結構[5]
當肌紅蛋白未與氧氣結合時，鐵為正二價，每個亞鐵離子與五個氮原子配位，形成(FeN)基團，結構為金字塔型。五個氮原子中四個來自吡咯環，一個來自多肽鍊中的組氨酸。而與氧氣結合後，鐵的價态存在争議，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(FeNO)基團，為八面體結構。下面我們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Fe離子的電子排布式為1s2s2p3s3p3d。一般而言，這些電子中3d電子對Fe離子理化性質的影響最明顯。3d軌道又可以細分為d、d、d、d、d五個軌道。在孤立的Fe離子中，這5個軌道具有相同的能量，但電子雲的形狀或取向不相同，見圖6。
圖6 3d軌道的電子雲[6]
當Fe離子與5個氮原子配位後，3d軌道電子雲與氮原子互相作用使5個軌道的能量出現了差異，由低到高分别為d/d、d、d、d（d與d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Fe離子的電子排布僅展示了高自旋态的情形，實際的無氧肌紅蛋白中Fe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[8]
另外一種情況，即氧氣分子進入肌紅蛋白。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。當肌紅蛋白與氧氣結合時，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，分别為：與d軌道成σ/σ*鍵，與d軌道成π/π*鍵。成鍵後，鐵離子3d軌道與Fe-O鍵軌道形成了一個共同的Fe-O能級系統，系統内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-O系統中電子也有多種排布方式。
現在我們讨論與肌紅蛋白成色相關的電子躍遷。實驗發現，無論在無氧Fe離子基團還是Fe-O系統中，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，導緻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，導緻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波長範圍内的光吸收相對含氧肌紅蛋白增強，導緻外觀偏紫紅色。活的動物體内由于肌紅蛋白攜帶的氧含量充足是以肌肉呈現鮮紅色。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紫紅色。久置于空氣後，肉表面的無氧肌紅蛋白會與空氣中的氧氣再次結合形成含氧肌紅蛋白而呈現鮮紅色，但肉的内部仍處于少氧狀态，呈紫紅色。當氧化過度例如制成臘肉後，肌紅蛋白會轉化成高鐵肌紅蛋白，呈現棕褐色。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。亞硝酸根經自身氧化還原反應後，一部分會轉化成一氧化氮，一氧化氮會與肌紅蛋白結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，是以肉呈現紅色。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格的限制。
圖8 肌紅蛋白的吸收光譜[9]
說了這麼久，再次回到隔壁花裡胡哨的三文魚。當肉中肌紅蛋白的占比發生變化時，就會從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”，上蹿下跳，例如顔色像極了牛肉色澤的深紅色月魚、鮪魚；還有的魚慢慢悠悠，躺平海底，例如粉撲撲的黃帶拟鲹。哦對了，還有好看的橘色鲑魚，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胞中，進而将肉的淡紅色暈染成橘色。不同的生活環境、習性等因素導緻了動物體内肌紅蛋白含量的不同，進而表現出不同的肉色。這像極了國畫中的顔料調色，當白色混合不同比例的紅色時，可以調出從乳白、淡粉、深粉、玫紅再到正紅色的過渡。
圖9 快速遊動的月魚[10]
圖10 黃帶拟鲹刺身[11]（左）和鲑魚刺身[12]（右）
圖11 國畫顔料調色[13]
最後，朋友們，多多運動，我們的肉也會變色吧。
參考文獻
[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，https://www.yiqi.com/retiao/detail_2596.html
[4] 摘自知乎《為什麼焰色反應是實體變化？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網誌
[11] 摘自薩爾茨堡的魚的新浪微網誌
[12] 摘自維基百科，https://wikipedia.org/
[13] 摘自國畫藝術公衆号，ID：quicksnowfall
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作者：周均言
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