木薯（Manihot esculenta Crantz）是全球主要的碳水化合物来源之一，对生活在热带湿润地区的8亿多人的粮食安全至关重要[1]。从其根部提取的淀粉是一种半结晶的高分子量多糖，由于其多功能性、低成本和广泛的可用性，在食品、制药和生物材料行业中得到广泛应用[1],[2]。虽然通过传统机械和物理提取方法获得的木薯淀粉具有较高的纯度、低蛋白质和脂质含量以及较高的峰值粘度等显著优势，但其颗粒结构也带来了一些固有局限性，如易发生回生、冷水溶解性差和热稳定性低[3],[4]。在这种情况下，现代科学方法建议重新设计提取过程，不仅分离淀粉，还调整其结构并改善其物理化学性质，从而减少后续改性的需要[5]。淀粉提取不仅限于将聚合物从植物基质中分离出来；现代方法，特别是酶法和超声辅助方法，可以作为功能化过程，有目的地调节其物理化学性质，以增强其在工业中的应用[4],[5]。
传统的木薯淀粉提取方法包括研磨、过滤、离心和干燥等步骤，但这些方法存在显著的技术缺陷：耗水量大（每千克干淀粉需用水250–350升）、产量低、颗粒易破碎以及由于原料差异导致的质量不稳定[2],[6]。这些限制促使人们寻找符合能源效率、环境可持续性和热带作物综合利用标准的替代技术[7]。其中最有前景的策略是应用酶促生物催化技术，特别是通过果胶裂解酶和纤维素酶，这些酶能够选择性破坏薄壁组织基质，促进细胞壁内淀粉颗粒的释放，同时保持其天然形态[3],[5]。来自Aspergillus aculeatus、Trichoderma reesei、Aspergillus niger和Rhizopus等微生物的果胶酶和纤维素酶已被证明能有效水解植物细胞壁的结构成分，从而减少机械操作的强度并提高提取效率[3],[8]。然而，酶促过程的产量和特异性受到多种因素的影响，包括酶的类型和浓度、反应条件（pH值、温度、时间）以及植物底物的物理化学特性[3],[8]。此外，合理选择合适的生物催化剂需要详细了解酶与细胞基质中特定底物之间的分子相互作用[8]。
在这种背景下，计算机模拟技术（如分子建模、分子对接和分子动力学）已成为预测酶与复杂底物结合亲和力、识别关键催化残基以及预测酶水解效率的宝贵工具[9],[10]。这些方法大大减少了大量实验的需要，优化了资源利用并加速了高效过程的设计[11]。将酶促生物催化技术与计算机模拟相结合，可以在原子和热力学层面上更深入地理解纤维素酶和果胶酶对细胞壁中非淀粉多糖的特异性[9],[12],[13]。尽管这些方法具有巨大潜力，但在木薯等热带作物中的应用仍有限。这一差距为开发更高效、设计更合理的生物工艺提供了重要机会，以改善淀粉的回收率和功能品质。
此外，酶促生物催化技术与超声的协同结合代表了强化提取过程的一种新兴方法[8]。超声通过声空化现象破坏细胞结构，促进酶的扩散，提高酶对植物底物的可及性，从而提高提取效率[14],[15]。在生物催化系统中，超声可以诱导酶的构象变化，破坏抑制性成分（如脂质和蛋白质），最终增强催化活性[8]。这些机制的协同作用可以提高产量、改善淀粉纯度、缩短水解时间并减少耗水量[6],[16]。尽管已有研究独立探讨了酶或超声在淀粉提取中的作用，但计算机模拟与超声辅助生物催化技术的结合应用在木薯等高农业产业相关作物中仍较少研究。
淀粉的性质（如颗粒大小和形态、结晶度、糊化温度、回生现象和糊化行为）直接受提取条件的影响[7],[17]。然而，超声辅助酶促提取参数与木薯淀粉最终性质之间的关联尚未完全阐明，这限制了这些技术的应用和工业规模化。这一知识空白限制了对这些新兴技术的因果关系的理解，不仅影响了过程效率，也影响了回收淀粉的物理化学、结构和形态特性。因此，本研究旨在通过计算机模拟和超声辅助酶促催化技术的结合方法，评估其对木薯淀粉物理化学、形态结构及糊化特性的影响，同时为向“功能性提取”过程的转变贡献科学依据，为设计具有高应用潜力的可持续生物工艺提供科学基础。本研究的结构如下：首先通过计算机模拟验证分子相互作用；其次详细阐述超声辅助酶促过程的实验优化；最后深入讨论淀粉颗粒的结构和物理化学变化。
