肉类颜色测量指南
肌红蛋白化学

A.肌红蛋白的基本化学

肌红蛋白是决定肉色的水溶性 蛋白质 。 在其8个 α 螺旋（通常标记为A-H）结构中，含有中心铁原子的辅酶血红素基团位于蛋白质的疏水核心区域。该铁原子的六个配位键中，四个连接铁原子与血红素环，第五个与邻近的组氨酸-93相连，第六个位点可逆结合配体,包括双原子氧、一氧化碳、水和一氧化氮。第六配位位点的配体种类及铁原子的价态，通过肌红蛋白的四种化学形态——脱氧肌红蛋白（DMb）、氧合肌红蛋白（OMb）、羧化肌红蛋白（COMb）和高铁肌红蛋白（MMb）——共同决定肉色变化，

具体可见图2.1。

脱氧肌红蛋白会使肉质呈现深紫红色或紫粉色，这种色泽特征常见于新鲜肉类及真空包装制品的内部。该物质含有亚铁离子（Fe2+），其第六配位位点处于空置状态（未结合配体）。要维持脱氧肌红蛋白（DMb）的形态，真空包装或肌肉内部需保持极低的氧分压（<1.4毫米汞柱）。

当氧气与脱氧肌红蛋白结合时，会形成亮红色的氧合肌红蛋白（OMb），其亚铁离子的第六配位位点结合了双原子氧（O₂）。氧配体还会与远端组氨酸-64相互作用，使蛋白质结构比未结合配体的脱氧肌红蛋白更为致密。当一氧化碳结合到脱氧肌红蛋白的空置第六位时，会形成稳定的亮红色羧基肌红蛋白（CMb），此时环境需无氧。即使存在氧气（浓度不同），羧基肌红蛋白也会转化为氧合肌红蛋白（OMb）或金属肌红蛋白（MMb）。变性肌红蛋白是肌红蛋白的氧化产物，呈棕褐色至棕色，其含铁离子为三价铁（Fe3+）。

通常情况下，当氧浓度较低（<7 mm Hg或约1-2%）时，MMb容易形成。水是MMb中铁原子第6位的配体。DMb、OMb、COMb和MMb的数码照片可在 AMSA 网站上查看。

B.肌红蛋白氧化还原形式的相互转化动力学

肌红蛋白的氧合或开花（图2.1中的反应1）取决于时间、 温度 、 pH 、 以及线粒体对氧气的竞争。更具体地说，肌红蛋白与线粒体之间对氧气的竞争决定了氧气渗透到肉品表面以下的程度，这显著影响了表面颜色的强度.当氧气分压高于大气压时，会促进肉品表面及紧邻下方形成更厚的OMb层。在无氧条件下，DMb也会

图2.1. 新鲜肉中肌红蛋白氧化还原形式相互转化的示意图。
由堪萨斯州立大学M.C.亨特博士和犹他州立大学D.P.科恩福斯博士提供。

暴露于一氧化碳时，反应5会呈现红色；该反应可逆，但正向反应更易发生。

OMb向DMb的脱氧反应（图2.1中的反应3）在低氧分压条件下更易发生，这种情况通常出现在肌肉组织中的溶解氧被线粒体呼吸等各类反应消耗时。当氧气重新与DMb结合时,可能立即引发二次开花现象。但DMb容易被氧自由基和活性氧（主要是过氧化氢）氧化,形成MMb（反应3右上方的分支）。该反应在氧分压低于7毫米汞柱时反应最快，因为此时氧气浓度极低，无法与所有可用的DMb结合，导致DMb与过氧化氢反应的量充足。

当氧分压高于7毫米汞柱时，氧气与DMb结合的量增加，导致可用于与过氧化氢反应的DMb减少。实际上，高浓度的OMb会抑制MMb的形成。从热力学角度看，氧化甲基苯（OMb）不易被氧化为甲基甲基苯（MMb），因此反应2发生的可能性较低。肉类中常见的快速褐变现象看似与这一化学过程相矛盾，但MMb的生成源于OMb的脱氧反应，该反应会迅速氧化为DMb，而DMb又能快速转化为MMb。

在有氧条件下，金属离子（如铁、铜）会刺激双原子氧形成氧自由基，从而引发MMb的生成。金属螯合剂（如柠檬酸盐、磷酸盐等）可抑制或延缓MMb的形成。自由基清除抗氧化剂（如 TBHQ 、BHT、BHA、维生素E、香料提取物及植物多酚）同样能有效减缓MMb的生成。

亚铁DMb氧化为铁MMb会引发褐色变色。 MMb的生成通常始于表层OMb与内部DMb之间的界面处，此处 氧分压不足以使所有可用DMb完全氧化。因此，部分DMb可与氧自由基反应生成MMb。过氧化氢和氧自由基它们在有氧条件下持续存在，因为它们是线粒体代谢的副产物。随着MMb浓度的增加，MMb的薄层会逐渐增厚。

随着底层MMb带逐渐增厚、侵入并取代OMb层，表面OMb层逐渐变薄，直至肉品表面颜色从鲜红变为暗红，最终呈褐色。延迟亚表层MMb出现的条件包括低温、高pH值、抗氧化能力以及更强的还原活性。 MMb还原通过再生亚铁肌红蛋白来影响肉品色泽稳定性。 然而，这种反应 依赖于氧清除能力、还原酶和NADH池，这些在死后肌肉中都是有限且持续消耗的。通过肉品内源性还原系统进行MMb还原，可能为减少MMb形成和延长鲜肉色泽保质期提供关键策略。

酶促与非酶促反应均可将MMb还原为DMb（反应4），这一过程对肉品色泽稳定性至关重要。虽然影响该反应的因素众多，但氧气消耗量、MMb还原活性（MRA 值）以及死后积累的NADH储备，是决定肉品色泽 稳定期的关键变量。研究表明，添加丙酮酸、乳酸、苹果酸等糖酵解和三羧酸循环中间产物，能有效再生还原当量，从而延长肉品色泽稳定性。

c. 肉色视觉与实际颜料化学的实践对比

在肉类加工行业中，肉色化学变化常令人困惑，因为肉色变化的肉眼观察结果与第IIB节所述的化学反应路径存在差异。从事肉类及肉制品研究的行业从业者和肉品科学家通常会观察到，暗红色的OMb直接转化为 棕色的MMb。因此，图2.1所示的原理有时难以实际应用，尤其是在排查肉色异常问题时。特别值得注意的是，图2.1显示紫色的DMb是OMb转化为MMb的中间产物，但在实际操作中很少观察到这一过程。相反，图2.2中的反应2a表明，暗红色的OMb会直接转化为 棕色的MMb，整个过程无需经过紫色DMb的中间阶段。

1. 化学反应路径与视觉感知路径之间看似矛盾的现象该如何解释？ 答案在于仔细观察肉品表面及深层组织的变化。新鲜切割的肉品表面呈现紫色（DMb），这是由于缺氧所致。

当肉品在空气中放置数分钟后，其表面会变成鲜红色（OMb，图2.2中的反应1）。若对肉品进行横截面观察，会发现红色表层厚度约为 <1毫米，而深层肌肉组织仍保持紫色。经过数小时后，红色表层通常会增厚至2-3毫米（低耗氧肌肉组织增厚更明显，高耗氧肌肉组织增厚程度较轻）。当肉品在空气中放置1至3天后，当温度降至2-4°C时，OMb层下方会清晰可见一条细长的棕色MMb条带。

如前所述，这条棕色条带的形成源于DMb与氧自由基反应生成MMb。由于MMb的生成速度通常快于逆反应2b（图2.1中的反应3），即MMb向DMb的转化，因此MMb浓度会随时间推移逐渐升高。经过数天的储存或展示后，随着MMb层不断向表面迁移，OMb表面层的厚度逐渐减小，导致OMb层显得暗淡无光。最终OMb层的 MRA 值耗尽，MMb层完全暴露于表面，引发整体变色现象。

2. 为何能确定DMb是褐变反应中的中间产物？与空气中21%的氧含量相比，70-80%氧含量的环境中肌红蛋白的形成速度显著减缓。因此，OMb无法与氧自由基反应生成MMb。此外，由于存在动态解离平衡，OMb会持续与氧自由基结合形成DMb，同时也会分解为OMb。在氧含量较低的褐变MMb条带中，部分DMb会重新与氧自由基结合而非氧气，从而导致DMb快速氧化为MMb。

3. 当DMb形成时，为何表面颜色会直接从红色变为棕色，而不会出现紫色中间过渡？这一现象的奥秘在于：在储存或展示的最初1至3天内，覆盖其上的红色OMb层会遮蔽紫色DMb的形成； 随着MMb层厚度逐渐增加，这种遮蔽作用也会减弱。此外，由于表面区域氧气浓度较高，原本通过平衡解离形成的少量DMb会在OMb表层迅速转化为OMb。

4. 真空（厌氧）储存足够时间后，肌肉中MMb如何转化为紫色DMb？首先，由于真空处理导致部分氧气被移除（但未完全清除），此时会形成细密的棕色MMb条带。正如前文所述，肉表面低氧环境有利于褐变反应发生。紫色DMb的显现需待表层红色OMb和棕色MMb完全消失后才会显现。氧合肌红蛋白水平归零主要归因于肌肉线粒体的耗氧作用，而MMb水平归零则源于其缓慢的酶促或非酶促还原过程。众所周知，颜色稳定的肌肉比颜色不稳定的肌肉更容易完成这一转化——后者可能仅部分将MMb转化为DMb。

不同代谢产物（OMb）的保存温度或氧化代谢产物（DMb）的生成温度存在差异，因此对储存温度的建议也各不相同。例如，氧化代谢产物在 低温环境（-1至2°C）下最为稳定。但若真空包装肉类在较高温度（3至4°C或更高）下存放数小时，氧化代谢产物与还原代谢产物的界面区域会加速形成DMb，这会刺激线粒体耗氧作用，进而引发图2.2中2a和2b所示的还原代谢产物还原反应。

采用改良气体环境进行有氧包装的肉类同样会变褐，但变褐速度因肌肉类型、胴体死亡时间（尤其是温度较高时）及其他零售展示条件而异。细菌生长还可能影响反应2b和3。反应3和4按前一节所述进行。

5. 为何要通过两个新出现的彩色三角形来混淆问题？实际操作中，将图2.2所示的OMb转化为DMb的视觉转换过程，与中间产物MMb的生成环节分开处理，能让行业更轻松地管理色彩问题。这种分步处理方式将所需化学反应分解为两个关键且实用的步骤：MMb生成（2a）总能顺利进行，而MMb还原（2b）则常遇到难题，需要特别注意加工工艺的细节。

D.影响肉色的因素

文献明确记载，肉色受多种因素影响。外在因素包括动物遗传、性别、年龄、饲料能量密度、饲养时长、季节性、屠宰前应激、胴体重，以及多种屠宰后处理条件（固定方式、影响冷却速率的冷却参数、胴体间距与排列、烫毛与唱音处理、胴体电刺激标准及抗菌干预措施），以及屠宰后处理。

图2.2. 肌红蛋白氧化还原的视觉与实际相互转化示意图
新鲜肉类中的形态。由堪萨斯州立大学M. C. Hunt提供。

加工和包装方法、储存时间和温度、暴露于氧气的程度以及肉类经历的颜色周期次数，尤其是产品死后产品的年龄通常通过影响肉色的内在因素来影响肉色。例如，许多外在因素可以影响死后pH下降的速度和程度、肌肉转化为肉时蛋白质变性的量、肉中抗氧化剂的浓度、可用于调节肉色的生化中间体以及不饱和脂肪酸的数量。内在因素如pH、肌肉类型、肌肉内的区域、肌纤维组成、肌红蛋白浓度、与肉色化学相关的各种亚细胞成分的破坏、持水能力、微生物负荷和温度历史对两个关键因素影响极大，即肉对氧气的利用和肉降低MMb的能力。在设计和报告肉色研究时，应尽可能考虑这些因素。

e. 肌肉代谢和肉色

胴体肌肉的细胞生化特性存在差异，这直接影响骨骼肌的死后代谢过程。牛肉肌肉来源对鲜肉色泽及熟肉色泽的影响已被广泛研究。麦肯纳团队（2005）通过分析19种牛肉肌肉的多种生化机制，揭示了色泽稳定性的影响因素；而曼奇尼等学者（2009）和 苏曼团队（2009）则发现，色泽稳定型与易变型 的牛肉肌肉对MAP系统及烹饪过程中褐变反应存在显著差异。

线粒体在肉色形成中的作用备受关注，其影响肌红蛋白氧化还原稳定性的机制也已得到深入研究。维生素E（唐等，2005a）和脂质氧化（唐等，2005年研究显示，氧气消耗率（唐等人，2005b；莫汉等人，2010c）和代谢物（唐等人，2005c；拉马纳坦等人，2009；莫汉等人，2010b）在研究线粒体与肌红蛋白的相互作用时表明，外膜中的电子传递链和还原酶能够还原MMb，因此参与维持颜色稳定性。因此，从肌肉组织中分离出完整且功能正常的线粒体，是这类实验成功的关键。

F. 熟肉颜色

烹饪过程中，肌红蛋白会发生变性，这正是熟肉制品呈现典型暗褐色的关键原因。但不同氧化还原态的肌红蛋白变性温度并不固定，因此熟食内部的相对棕褐色并不一定意味着牛肉已达到安全标准（需达到160华氏度或71摄氏度并持续1秒，或采用其他经过验证的温度-时间组合）。肌红蛋白 的变性温度取决于其氧化还原状态。具体而言，肌红蛋白对热诱导变性的相对抗性依次为：COMb > DMb > OMb > MMb（Ballard，2004）。

牛肉过早褐变是指在烹饪过程中，当温度过低导致病原体无法灭活时，肌红蛋白发生变性并呈现熟成外观的现象。Killinger等人（2000年）的研究显示，从本地零售店购买的绞肉中，约47%存在过早褐变问题。 影响牛肉易褐变的因素 既包括内在因素（如肌红蛋白氧化还原状态、肌肉来源及抗氧化剂含量），也涉及外在因素（如包装方式、储存条件以及冷冻状态下的烹饪方式）。

肌红蛋白还可能导致持续粉红色（与过早褐变相反），这种情况下的色素相对稳定，难以通过加热变性 。持续粉红色和达到典型熟度所需的终点温度变化（即需要更多烹饪时间才能达到中等生熟度） 都归因于 羧基肌红蛋白的热稳定性（≈<|pH> 5 . 6）。

G. 熟肉颜色

亚硝酸盐添加（图2.3）会赋予熟成肉制品特有的粉红色泽。添加的亚硝酸盐与DMb的血红素基团结合后，会迅速被还原为一氧化氮（NO），同时血红素也会氧化为三价铁形式（图2.3）。这种反应的直观表现是：当含亚硝酸盐的腌料加入新鲜肉类时，肉质会迅速褐变。在无氧条件下，褐变的一氧化氮-甲基肉碱（NO-MMb）会被外源还原剂（如赤藓酸盐）快速还原为红色的一氧化氮-甲基肉碱（NO-Mb），或通过内源性还原剂与MMb还原酶的协同作用缓慢还原。部分研究表明，在含亚硝酸盐和还原剂的腌料中，亚硝酸盐还会与还原剂快速反应生成NO，进而与MMb结合形成NO-MMb。

处理含亚硝酸盐和赤藓酸盐的盐水时，需注意将温度控制在10°C以下。若温度过高，赤藓酸盐会快速将亚硝酸盐还原为一氧化氮气体，导致盐水在注入前逸散，最终造成成品色泽固化效果不佳甚至完全无法显现。

在烹饪或发酵过程中，一氧化氮会使肌红蛋白和血红蛋白发生变性，暴露其中心位置的卟啉环，由于亚铁与一氧化氮的相互作用，导致肉变色（一氧化氮血红素），粉红色在光照和氧气作用下会逐渐褪为灰色。
 

图2.3. 一氧化氮血红素形成的反应。注：实心箭头表示反应，虚线箭头表示有利于反应的条件。“+”表示两个相连的“反应物”之间的反应，产物由下一个箭头表示。

例如：
• 肌红蛋白+NaNO 可以形成MMb（这是某些 MRA 检测中的一个步骤）。
• 肌红蛋白与一氧化氮结合可形成NO-MMb。
• 肌红蛋白与一氧化氮可结合形成NO-Mb，或在厌氧条件下，NO-MMb可被还原为NO-Mb。
• 高温或酸性环境会促使球蛋白发生变性，此时脱铁血红蛋白（NO-Mb）将转化为一氧化氮血红素。

由堪萨斯州立大学M.C.亨特博士和犹他州立大学D.P.康福斯博士提供

1. 真正的腌制（亚硝化）剂究竟是亚硝酸盐还是NO？ 不同文献对此存在争议。最新研究表明，亚硝酸盐（NO₂⁻⁻）是与血红素铁最先发生反应的化合物。这一结论合乎逻辑：亚硝酸盐具有水溶性，分子直径足够小可渗透血红素裂隙，其负电荷还能通过静电作用吸引带正电的血红素铁。相比之下，NO气体水溶性较差，容易从盐水中逸出。部分针对纯肌红蛋白溶液或肉馅面糊的研究显示，接触NO气体后会出现腌制色泽变化。

但需注意，这些实验中NO可能并未直接与血红素铁发生反应。已知在有氧条件下，NO会与氧气反应生成二氧化氮（NO ₂），后者又会迅速与水反应形成亚硝酸根离子。因此，即便存在NO气体，亚硝酸盐仍可能是肉类腌制过程中的主要作用成分。历史上，硝酸盐曾被用于肉类腌制，但硝酸盐需经细菌作用转化为亚硝酸盐才能实现腌制效果。烤制或熏制的肉类也可能因二氧化氮的存在而产生腌制色泽，当湿润表面接触燃烧气体时，会形成亚硝酸根离子。

2. 熟肉色素是单硝基血红素还是二硝基血红素？历史化学研究表明，形成该色素需要2摩尔亚硝酸盐。1摩尔熟肉色素表明该色素为二硝基血红素。然而，唯一一项采用质谱分析熟色素结构的研究发现，其分子离子碎片的原子质量为646单位，而非二硝基血红素预测的676原子质量单位。这一结果强烈表明腌制肉的色素是单硝基血红素。进一步研究发现，另一种一氧化氮（NO）与该色素的球蛋白部分结合。因此，肌红蛋白结合了2摩尔的一氧化氮，而诱导颜色的血红素基团仅结合了1摩尔的一氧化氮。

H. 金属光泽

虹彩效应会在熟食表面形成绚丽的彩虹状光泽。这种万花筒般的视觉效果通常呈现绿、红、橙、黄等色彩，其成因在于产品表面微观结构与光线衍射的相互作用，而非肌红蛋白的氧化还原状态。具体来说，肉类表面结构均匀时会产生有利于虹彩形成的光线衍射，而表面微观结构的紊乱则会使光线以 相对不规则的方式反射，从而抑制虹彩效应的显现（Lawrence等，2002a，b）。