生活科普:我吃的肉里都有量子力学了?

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某天在超市闲逛,肉里虽然小编不擅长烹调,量力但照样被美不胜收的生活厚切牛排和羊腿肉接纳。

那种奇异的科普做完近视眼手术晚上视力白色让人……并且你看近邻的三文鱼,正白色、肉里西瓜白色、量力热橘色、生活浅粉色……一大年夜片花里胡哨的科普红,那种色采传递的肉里鲜嫩感让人真有食欲。

纰谬,量力俄然想到一个标题,生活奇异的科普肉为甚么泛红?

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图1 牛肉片 图片来源:pexels

说起颜色,就从小编拿手的肉里可见光光谱末尾。人们可以感知颜色是由于视细胞遭到可见光范围的电磁波的抚慰。而物体的颜色由它的反射光谱决议,这和物质自身的物理属性和外不雅结构等成分相关。

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图2 电磁波 图片来源:维基百科

我们从最基本的元素特点颜色入手。以我们熟知的割眼袋能近视眼手术焰色实验为例,在熄灭一些金属单质或其化合物时火焰会出现特点颜色。其事理是,在熄灭进程中,原子中的电子接纳能量,会从能量较低的轨道跃迁至能量更高的轨道,跟着时辰的流淌,电子会回到能量较低的轨道,这个进程会释放光子。

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图3 金属元素的焰色反响 图片来源:yiqi

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图4 电子从激起态跃迁至基态辐射光子 图片来源:Kevin Wayne

释放光子的波长(λ)与原子轨道能级差(∆E)的关系是∆E = hν = hc/λ,个中h、ν和c区分为普朗克常数、频率和光速。不合元素中电子轨道的能级差不合,是以元素具有一系列特点光谱线。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,其特点光谱在可见光波段来自3p轨道和3s轨道间电子的跃迁,由于其精细结构招致光谱中出现双线,近视眼手术半年后视力波长为589.0 nm和589.6 nm,均在黄色波段,所以我们在Na元素的焰色反响中看到了明黄色火焰。

那回到我们吃的肉,为甚么会vb表示为不合的白色?这重要来源于肌红蛋白。起首,我们来懂得一下肌红蛋白,它是由153个氨基酸构成的单链蛋白质,分子量为16700道尔顿。肌红蛋白存在于肌肉中可以贮存和释放氧气,对肌肉活动发扬了重要的感染。肌红蛋白贮存和释放氧气的进程伴跟着个中铁元素配位的变卦,如图5所示。

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图5 肌红蛋白的结构 图片来源:维基百科

当肌红蛋白未与氧气结应时,铁为正二价,每个亚铁离子与五个氮原子配位,构成(FeN5)基团,结构为金字塔型。五个氮原子中四个来自吡咯环,近视眼手术医保温州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,能够既有二价又有三价。此时铁离子除了与氮配位外,还直接与氧分子成键,构成(FeN5O)基团,为八面体结构。下面我们详细剖析个中电子的轨道排布:

当不结合氧气时,肌红蛋白中Fe2+离子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d6。一样深刻而言,这些电子中3d电子对Fe2+离子理化性质的影响最清楚。3d轨道又可以细分为dxy、dxz、dyz、dx2-y2、dz2五个轨道。在孤立的Fe2+离子中,这5个轨道具有相同的近视眼手术后美容护理能量,但电子云的外形或取向不相同,见图6。

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图6 3d轨道的电子云 图片来源:维基百科

当Fe2+离子与5个氮原子配位后,3d轨道电子云与氮原子相互感染使5个轨道的能量出现了差异,由低到高区分为dxz/dyz、dxy、dz2、dx2-y2(dxz与dyz的能量相当)[1],如图7左图所示。图中的横线代表电子轨道,它们的凹凸代表轨道能量的大年夜小。每个箭头代表一个电子,它们的朝向代表了电子的自旋倾向。图7左图中无氧Fe2+离子的电子排布仅展现了高自旋态的状况,实践的无氧肌红蛋白中Fe2+离子有多种电子排布。

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图7 肌红蛋白铁离子配位基团中的电子排布 图片来源:Libretexts-Chemistry

别的一种状况,即氧气分子进入肌红蛋白。起首,关于氧气分子,来自不合氧原子2p轨道的电子间会构成σ/σ*键和π/π*键,电子依照σ键、π键、π*键、σ*键的次第依次填充。填充的效果是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应时,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,区分为:与dz2轨道成σ/σ*键,与dyz轨道成π/π*键。成键后,铁离子3d轨道与Fe-O键轨道构成了一个合营的Fe-O2能级体系,体系内电子轨道的能量凹凸如图7中心所示。图中的电子排布仅展现了低自旋的状况,实践的Fe-O2体系中电子也有多种排布方法。

而今我们接头与肌红蛋白成色相关的电子跃迁。实验发明,无论在无氧Fe2+离子基团照样Fe-O2体系中,电子都可以在图7所示的轨道间跃迁,跃迁进程可以接纳可见光。然则二者的能级排布不合,招致它们的接纳光谱不合。图8展现了含氧、无氧、高铁和一氧化氮肌红蛋白的接纳光谱。含氧肌红蛋白对波长小于600 nm的光有清楚的接纳,招致其反射光也就是外不雅显白色(白色波段:622-770 nm)。相较而言,无氧肌红蛋白对波长小于550 nm的光接纳削弱,在600-700 nm波长范围内的光接纳相对含氧肌红蛋白增强,招致外不雅偏紫白色。活的植物体内由于肌红蛋白携带的氧含量充沛所以肌肉出现鲜白色。而保送到超市的鲜肉由于分开母体的氧气供应,肌红蛋白释放氧气使它暂时出现紫白色。久置于空气后,肉外不雅的无氧肌红蛋白会与空气中的氧气再次结合构成含氧肌红蛋白而出现鲜白色,但肉的外部仍处于少氧状况,呈紫白色。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,出现棕褐色。一些商家在腌制肉时,为了坚持肉的白色,会添加一定量的亚硝酸盐。亚硝酸根经自身氧化恢复反响后,一局部会转化成一氧化氮,一氧化氮会与肌红蛋白结合构成一氧化氮肌红蛋白,它的接纳光谱与含氧肌红蛋白相似,所以肉出现白色。然则,亚硝酸盐对人体有一定的风险,国度对它的添加量有严厉的限制。

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图8 肌红蛋白的接纳光谱[2]

说了这么久,再次回到近邻花里胡哨的三文鱼。当肉中肌红蛋白的占比发生变卦时,就会从宏不雅上表示出不合的白色。不合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光荣的深白色月鱼、金枪鱼;还有的鱼渐渐吞吞,躺平海底,例如粉扑扑的黄带拟鲹。哦对了,还有美观标橘色鲑鱼,它可以捕食小型甲壳纲植物而取得虾青素,并贮存到自身的肌红细胞中,进而将肉的淡白色晕染成橘色。不合的生活状况、习气等成分招致了植物体内肌红蛋白含量的不合,进而表示出不合的肉色。这像极了国画中的颜料调色,当白色异化不合比例的白色时,可以调出从乳白、淡粉、深粉、玫红再到正白色的过渡。

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图9 快速游动的月鱼 图片来源:微博 萨尔茨堡的鱼

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图10 黄带拟鲹刺身(左)图片来源:微博

萨尔茨堡的鱼 鲑鱼刺身(右)图片来源:维基百科

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图11 国画颜料调色

末尾,同伙们,多多活动,我们的肉也会变色吧。

参考文献:

[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

来源:中科院物理所



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