ε-聚赖氨酸(ε-PL)是一种由微生物合成的聚合度为25～35的L-赖氨酸同型聚合物，具有广谱抗菌、安全无毒、水溶性好及热稳定性高等优点，被广泛用于食品防腐领域。同时，ε-PL具有优良的生物相容性和生物降解性，其分子侧链含有大量的亲水性游离氨基，便于进行功能化改造，因而ε-PL在基因载体、药物缓释、生物医学材料等领域具有广阔的开发和应用前景。目前，底物转化率较低是ε-PL发酵生产中普遍存在的问题，一般在补料-分批发酵中，葡萄糖对ε-PL的转化率仅有12～15％左右，这说明大量的碳源流向其他副产物。这些副产物的存在不仅消耗了大量的碳源，而且增加了ε-PL后期提取的难度。因此，本论文以ε-PL的高产菌株小白链霉菌Streptomyces albulus为研究对象，对ε-PL发酵副产物进行研究以有目的地对ε-PL发酵生产进行调控，结合开发利用廉价原料以降低生产成本，同时开展ε-PL在生物医学材料方面的应用研究。本工作对于我国的ε-PL大规模产业化生产，拓展ε-PL的下游应用具有重要意义。本论文主要的研究工作如下:　　1.从ε-PL生产菌株S.albulus PD-1的发酵液中分离纯化了一种新型的聚合物。采用超滤、离子交换层析、反向色谱等分离纯化技术，分离纯化得到一种聚合物，经鉴定该物质为聚-L-二氨基丙酸(PDAP)，是一种新型的非蛋白质氨基酸均聚物，属本课题组首次发现。PDAP是由L-二氨基丙酸的氨基和羧基聚合而成，聚合度6～17，对应的分子量分布在约500～1500 Da之间。PDAP属于聚阳离子，易溶于水，对革兰氏阴性、革兰氏阳性细菌和酵母菌均具有抑制效果，值得注意的是，PDAP对细菌的抑制能力弱于ε-PL，但是对酵母菌的抑制能力强于ε-PL，PDAP对酵母菌的半数抑菌浓度为0.08～0.12 g L-1，对细菌的半数抑菌浓度为0.12～0.24 g L-1。因此，PDAP在食品防腐领域具有潜在的应用前景，PDAP与ε-PL复配使用，可有效弥补ε-PL对酵母菌抑制能力弱的缺点。　　2.对PDAP前体的合成途径进行了解析。采用Tail PCR技术获得PDAP前体合成关键酶半胱氨酸合成酶VioB和鸟氨酸环化脱氨酶VioK的完整基因序列，VioB和VioK基因序列长度分别为984 bp和1086 bp。氨基酸序列比对表明，S.albulus PD-1的VioB与S.albulus CCRC11814的半胱氨酸合成酶氨基酸序列同源性最高(83％)，VioK与S.avermitilis NBRC14893的鸟氨酸环化脱氨酶氨基酸序列同源性最高(80％)。将VioB和VioK在E.coli Rosetta(DE3)中进行外源表达，Ni2+亲和柱纯化得到分子量分别为36 kDa和39 kDa的重组酶，在体外构建酶活反应体系检测到有产物L-二氨基丙酸的生成，酶活为1.4 U mg-1。证实了菌株S.albulus PD-1中PDAP前体L-二氨基丙酸的合成途径。　　3.通过补料柠檬酸策略对S.albulus PD-1联产ε-PL和PDAP进行发酵调控。优化后的发酵工艺参数为:实施两阶段pH控制法，在发酵前45 h维持pH在6.0，以促进菌体生长，随后维持pH在4.0以累积产物。当pH下降到4.0以后，补料葡萄糖、硫酸铵和柠檬酸，维持葡萄糖和柠檬酸浓度分别为10gL-1和4gL-1左右，主产物ε-PL终浓度由21.7±0.3 g L-1上升至29.7±0.5 g L-1，副产物PDAP终浓度由4.8±0.4 g L-1下降至3.2±0.3 g L-1，葡萄糖对主产物ε-PL的转化率从11.8％上升至16.2％，调控效果显著。柠檬酸对ε-PL和PDAP联产的调控机理为:添加柠檬酸抑制弱化了磷酸烯醇式丙酮酸至三羧酸循环的代谢途径，导致胞内NADH/NAD+水平上升，ATP水平下降，谷氨酸合成受到抑制，因此PDAP的合成受到抑制。同时，添加柠檬酸使磷酸烯醇式丙酮酸到草酰乙酸和天冬氨酸代谢途径得到增强，促进天冬氨酸的合成，因而促进了ε-PL合成。　　4.使用廉价原料发酵生产ε-PL和PDAP，有效降低生产成本。选取制糖工业中的副产物甘蔗糖蜜和发酵过程中废弃的小白链霉菌菌体为原料，经过酸水解处理后得到水解糖蜜和菌体水解液，作为发酵生产ε-PL和PDAP的廉价碳源和廉价有机氮源。在5L发酵罐上进行补料分批发酵，水解糖蜜初始总糖浓度为20 g L-1，补料控制总糖浓度约10gL-1，得到ε-PL和PDAP的终浓度分别为17.5±0.4 g L-1和4.3±0.5 g L-1，进一步进行ε-PL和PDAP发酵生产放大研究，在1t罐上进行补料分批发酵，ε-PL和PDAP的终浓度分别为20.6±0.5gL-1和5.2±0.6gL-1，与葡萄糖和酵母膏为原料相比，虽然ε-PL和PDAP的终浓度分别下降了20.2％和14.7％，但是节约了30.6％的原料成本，本研究为实现绿色环保、经济有效的ε-PL工业生产打下了良好的基础。　　5.开展ε-PL在生物医学材料领域的应用研究。以ε-PL和γ-聚谷氨酸(γ-PGA)为原料制备水凝胶，在1-（3-二甲基氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺催化下，ε-PL与γ-PGA形成酰胺键交联后，形成大量三维网络结构成为凝胶。该水凝胶的平衡溶胀率为（30.8±1.2）～（19.8±1.0），具备生物可降解性。形态学表征显示该水凝胶具有蜂窝状多孔结构，孔径最大达到100μm。ε-PL和γ-PGA摩尔比为20/1的水凝胶作为创伤敷料效果最佳，其对创面的愈合效果明显好于纱布对照组。纱布对照组的愈合伤口直径为8～9mm，水凝胶敷料的愈合伤口直径仅为4～5mm，组织学分析显示水凝胶敷料组伤口的炎症细胞少，微血管密度和胶原纤维数目多，表明该水凝胶敷料使创面炎症反应减弱，显著促进创面愈合。