圖片：與小學生一起操作疏鬆鋼絲絨在30%雙氧水與金針菇(或胡蘿蔔切丁)所製造的純氧當中燃燒發光的情形
作者：嚴融怡
『酶』這個字的字音等同『梅』，其實是在1990年代末期才逐漸成為電腦上可以打出來的字，早先要在電腦打出這個字還得要常常使用造字的方式。酶其實是Enzyme的翻譯，又稱酵素，通常是較大分子的生物催化劑，而且大多數是蛋白質。酶能加快化學反應的速度（也就是催化劑）。被酶催化的反應當中，反應物稱爲受質，生成物則稱爲產物。生物需要加強各類生化反應的速度，但又不能夠像是一般化學反應那樣在太過高溫的條件下去進行，因此酵素的催化極其重要，它們能透過降低活化能來提升化學反應的速率。
過氧化氫酶（catalase, CAT）是生物體當中常見的酵素，在生物體內過氧化氫分解形成水和氧氣的過程中扮演重要作用。無論是動物細胞、植物細胞、細菌細胞等等，幾乎所有生物都具有這種酵素來應對暴露在氧氣中的環境。 因此，這種酶對於保護生物體免受過氧化氫形成的活性氧物質的氧化損傷非常重要。過氧化氫酶的化學結構為四聚體，具有四個多肽鏈。每條多肽鍊長約500個胺基酸。這種酵素在人體內的最適pH值為中性範圍，最適溫度則會因生物物種種類而異。
生物還有一整類同樣牽涉調節生物體內部氧化還原反應的酵素─過氧化物酶，不過過氧化氫酶催化氫、過氧化物分解成水與氧，而過氧化物酶則催化過氧化物的分解，事實上過氧化氫酶也是一種過氧化物酶。過氧化物酶是酶當中很大的一族，它們的催化反應通常可以寫成這一式子：
ROOR' + 電子給體 (2 e-) + 2H+ → ROH + R'OH
這一類酶當中有很多酶的最理想底物都是過氧化氫，過氧化物酶有時會在其活化位置上包含一個血紅素輔因子。在植物體當中過氧化物酶常牽涉到抗病或抗逆境的反應。植物常常會在光呼吸過程中產生過氧化氫，同時還有一些生化反應會產生活性氧化物，這些通常有賴重要的酵素機制來加以分解，以免對細胞產生氧化與損壞，植物的過氧化氫酶與過氧化酶（peroxidase, POD）便是經常用來清除過氧化氫的酵素。過去也曾有科學家以過氧化氫酶活性的量測來評估暴露於某些奈米顆粒、新興化學材料或是某些溫度壓力下的水產動物的氧化壓力反應。也曾有科學家以測定過氧化氫酶、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD。這是一種能夠催化超氧化物通過歧化反應轉化成氧氣與過氧化氫的酵素。同樣是廣泛存在於生物細胞的抗氧化劑，對保護生物體暴露於氧氣環境有重要的作用)、麩胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase, GPx，細胞內主要用以維護細胞免受自由基攻擊的水溶性抗氧化物)等抗氧化酵素活性變動來觀察評估奧利亞吳郭魚(Oreochromis aureus)在全球暖化當中長期而頻繁的極端熱浪下的生理變異情形。也曾有科學研究發現過氧化氫酶能夠透過消除過量的活性氧來協助菸草粉蝨（Bemisia tabaci）適應長期平均高溫與短期極高溫度，這也是菸草粉蝨這樣的廣布型農業害蟲為何能夠越加適應目前普遍存在於全球某些農業區域的高溫環境並且持續擴散的原因之一。
圖片：小朋友們正在以雙氧水和金針菇在廣口瓶當中製造純氧
圖片：與純氧燃燒實驗有關的氧化還原同系列衍生小實驗
圖片：以氧化汞分解而分離出氧氣的普利斯特利(圖片引自維基共享資源)
圖片：十八世紀真正釐清氧氣性質的拉瓦節(圖片引自維基共享資源)
過氧化氫酶是在十九世紀初期被發現，過氧化氫在現今的中小學的自然科或是理化實驗當中很常被用來作為雙氧水產氧反應的催化劑，日常生活當中包括金針菇、地瓜、胡蘿蔔、香蕉（與香蕉皮）以及豬肝等等均含有較多的過氧化氫酶可以切丁之後加入到雙氧水當中（也就是過氧化氫溶液，可以使用５％到３０％），過氧化氫酶與雙氧水的反應是用來取代舊教材當中以二氧化錳催化雙氧水產氧，或是以過錳酸鉀和雙氧水反應生氧的實驗。而一系列產氧的反應最早則可追溯到十八世紀普利斯特利(Joseph Priestley)以氧化汞製氧的實驗，當時普利斯特利透過放大鏡聚焦陽光加熱分解氧化汞來獲得純的汞和氧氣(當時尚未明朗氧氣這一氣體，普利斯特利以『上等空氣』來稱呼這種氣體，因為他發現小老鼠在這種氣體當中會活動特別旺盛並且存活較久；他自己也曾親自嘗試吸取這種氣體，發現這種氣體讓人神清氣爽)。不過因為普利斯特利是『燃素說』的支持者，因此沒能夠進一步發現氧氣的其他與燃燒的本質，拉瓦節後來針對氧氣進行更為精準的實驗，並且因為當時拉瓦節使用硫、磷等和這個氣體燃燒後都會生成酸性物質，因此將氧視為酸的生成者，而取名為『oxygen』(不過後來被戴維證明這一觀點是錯的，對於酸性物質，氫離子更重要)。氧化汞的實驗有其毒性危險，過錳酸鉀如果與高濃度過氧化氫溶液接觸也容易引起爆炸危險，而二氧化錳在長期催化過程之後則會開始與雙氧水產生反應(錳的價數會改變，而這樣則會違反後來課程設計者所規範的『催化劑』定義)，因此含過氧化氫酶的物質成為最理想的催化劑。在實驗上，中小學課程(尤其是小學課程)最常使用線香，不過如果我們使用疏鬆的鋼絲絨取代線香燃燒則能夠取得更具有展示性的實驗效果。後者的這類鋼絲絨實驗據說也曾在戴維時期作為氧氣可以有助燃燒的展示實驗。有人曾經形容在純氧中燃燒的鋼絲絨有點像是燈塔一般的久久發亮。
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https://www.youtube.com/watch?v=zFk0-oRJOuk
2.陳弘欽、詹秉澄、陳昭華、黃玄智(2015年7月5日)。綠色化學創意競賽：花蓮高工學生研究二氧化錳的回收再利用。臺灣化學教育。取自https://chemed.chemistry.org.tw/?p=7658
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https://www.moa.gov.tw/ws.php?id=24091
4.Liang, P., Ning, J., Wang, W., Zhu, P., Gui, L., Xie, W., Zhang, Y. (2023). Catalase promotes whitefly adaptation to high temperature by eliminating reactive oxygen species. Insect Science 30, 5, 1293-1308. Retrieved from https://doi.org/10.1111/1744-7917.13157
5.Salaah, S. M. (2021). The influence of global warming on oxidative stress and antioxidant defense system in blue tilapia (O. aureus). Aswan University Journal of Environmental Studies (AUJES) 2, 4, 240-248. DOI: 10.21608/aujes.2021.91839.1037 Retrieved from https://aujes.journals.ekb.eg/article_199131_eeac30d1c4dcc6627181e5fa00c9c399.pdf
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