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ε-聚赖氨酸（ε-poly-L-lysine,ε-PL）是一种阳离子同型聚合物,其单体L-赖氨酸聚合度范围在25-35之间。ε-PL具有广谱抑菌活性和较高的安全性,目前已作为一种新型生物食品防腐剂在日、美、韩和中国获批使用。ε-PL主要由小白链霉菌（Streptomyces albulus）通过好氧发酵所得,传统育种手段强化产生菌ε-PL合成能力是提高其发酵水平的重要途径,然而高低产菌株的胞内代谢差异却较少被探讨,其中可能存在快速提高ε-PL产量的关键信息。本文以Streptomyces albulus M-Z18（初代高产菌）和Streptomyces albulus GS114（二代高产菌,摇瓶产量约为Streptomyces albulus M-Z18两倍）为研究对象,以不同发酵阶段（48 h、96 h、144 h）的发酵样品为测试样,借助代谢组学和分子生物学等研究手段,在细胞代谢水平初步探明了S.albulus GS114相对于S.albulus M-Z18高产的代谢机制,并鉴定了差异代谢物的外源添加对S.albulus GS114和S.albulus M-Z18ε-PL合成的促进作用,同时研究ε-聚赖氨酸合成酶基因（pls）过表达结合前体物质添加的效果。取得的主要研究结果如下:（1）在代谢水平层面研究了S.albulus GS114和S.albulus M-Z18代谢差异。基于相对定量代谢组分析发现。S.albulus GS114在糖酵解（6-磷酸果糖,3-磷酸甘油）上的中间代谢物通量显著高于S.albulus M-Z18,说明S.albulus GS114糖利用效率更高。S.albulus GS114在TCA循环（L-苹果酸、L-琥珀酸、乙酰辅酶A）上的中间代谢物通量显著高于S.albulus M-Z18,说明S.albulus GS114能量代谢更活跃。S.albulus GS114在氨基酸（γ-氨基丁酸、L-亮氨酸、L-苯丙氨酸、L-甲硫氨酸、L-脯氨酸、L-谷氨酰胺）合成代谢途径上的中间代谢物通量显著高于S.albulus M-Z18,说明细胞代谢营养组分更充足。S.albulus GS114在脂肪酸合成途径上的硬脂酸通量显著低于S.albulus M-Z18,说明S.albulus GS114可能具有更高的细胞膜流动性及更少的前体和能量支出。同时,ε-PL合成消耗ATP的产物AMP在S.albulus GS114中显著高于S.albulus M-Z18,说明S.albulus GS114中ε-聚赖氨酸合成酶（Pls）具有更高的酶量或活力。上述研究结果,在胞内代谢层面证实了S.albulus GS114整体细胞活跃度强于S.albulus M-Z18,并且在前体和能量利用方面比S.albulus M-Z18更集中和高效。并在一定程度上从代谢水平证明了S.albulus GS114的高产机制。（2）基于代谢组数据及补充分析的外源添加。添加的差异代谢物包括:组间:L-苹果酸、L-琥珀酸、γ-氨基丁酸、L-亮氨酸、L-苯丙氨酸、L-甲硫氨酸、L-脯氨酸、L-谷氨酰胺;组内:L-谷氨酸、L-天冬氨酸;直接前体:L-赖氨酸。验证结果显示,添加有效物质为（基于柠檬酸-柠檬酸钠pH恒定体系）:L-脯氨酸、L-谷氨酰胺、L-谷氨酸、L-天冬氨酸、L-赖氨酸。其中最佳的添加组合为L-天冬氨酸50 mM+L-赖氨酸10 mM。在5-L生物反应器中放大,结果显示S.albulus M-Z18产量（144 h）从35.75 g·L-1提升至46.74 g·L-1,S.albulus GS114产量（144 h）从41.39g·L-1提升至49.31 g·L-1。在50-L生物反应器中放大,结果显示S.albulus GS114产量（144 h）从33.66 g·L-1提升至45.09g·L-1。（3）在S.albulus M-Z18上过表达pls基因。Pls是ε-PL合成的关键酶,采用基因手段对pls基因进行过表达,结果表明pls转录倍数上调16.8倍。摇瓶中S.albulus M-Z18/pIB139-pls产量较空载菌S.albulus M-Z18-pIB139大幅上升,达到2.74±0.23 g·L-1。S.albulus M-Z18-pls在5-L生物反应器中实现ε-PL产量达到40.62 g·L-1（144 h）。为进一步提高过表达菌株的生产能力,通过优化L-赖氨酸和ATP外源添加浓度,最终建立S.albulus M-Z18/pIB139-pls在5-L生物反应器中同时流加5.0 g·L-1L-赖氨酸和1.0 mM ATP的补料分批发酵方式,实现ε-PL产量达到45.09 g·L-1（144 h）,较对照菌株S.albulus M-Z18/pIB139提高了20.8%。可见,采用过表达pls基因并结合补充前体L-赖氨酸和能量辅因子ATP是一种有效提高ε-PL发酵水平的策略。