07 Mar La Lactulosa, un carbohidrato singular
La Lactulosa, un carbohidrato singular.
Discursode ingreso del Académico Correspondiente
Excmo.Sr. D. Agustín Olano Villén
22de Noviembre de 2000
La elección del tema objeto de mi intervención lo han motivado razonestanto de tipo personal como de interés científico. Desde el punto de vistapersonal, la lactulosa es un carbohidrato que fue objeto de mis primerostrabajos de investigación en temas lácteos hace mas de veinte años y sobre elcual he continuado estudiando diferentes aspectos de sus aplicaciones enTecnología de Alimentos. Por otra parte, el amplio abanico de aplicaciones tanto desde el punto de vista de control deprocesos y control de calidad en la industria como de ingrediente prebiotico en alimentos o medicamento para eltratamiento de diferentes enfermedades hace de la lactulosa un substrato deinteres para investigadores de muydiversas disciplinas científicas
OBTENCION
La lactulosa (4-O-β-galactopiranosil-D-fructosa) es un disacáridoque se origina por isomerización de la lactosa en medios básicos. Desde elprimer trabajo de Montgomery y Hudson (1) en el que se describe laisomerización de lactosa a lactulosa por tratamiento con hidróxido de calcio (fig.1), numerosos autores han estudiado la obtención de lactulosa basándose enel mismo principio pero utilizandodiferentes catalizadores, tales como hidróxidos alcalinos, oxido de magnesio,aluminatos etc. (2). En todas las condiciones estudiadas, la conversión delactosa en lactulosa va acompañada de una serie de reacciones de degradaciónque dan lugar a numerosos compuestos que dificultan el aislamiento de lalactulosa del medio de reacción (fig.2). Para obtener lactulosa purificada, se desionizala mezcla de reacción mediante el tratamiento con resinas de intercambioionico, se concentra y la lactosa que no ha reaccionado cristaliza,obteniéndose así una solución de lactulosa con algunas impurezas de lactosa,epilactosa y galactosa.
El ácido bórico forma complejos con lactulosa que son muy estables enmedio básico (fig.3) por lo que la utilización de boratos como catalizadores dela reacción de isomerización, evita las reacciones de degradación y permite laobtención de lactulosa en rendimientos superiores al 75% (3, 4).
Otros procedimientos de purificación de la lactulosa estan basados enlas diferencias de solubilidad de la lactosa y la lactulosa en alcoholes (5).La solubilidad de ambos disacáridos en alcoholes aumenta con el contenido dehumedad y disminuye con el aumento del peso molecular del alcohol (Tabla 1). Entodas las condiciones estudiadas, la solubilidad de la lactulosa es mas de diezveces superior a la de la lactosa. A partir de mezclas equimoleculares delactosa y lactulosa es posible obtener lactulosa con una pureza superior al 90%mediante el tratamiento con alcoholes (tabla 2).
La lactulosa se comercializa en soluciones acuosas con distintosgrados de pureza, en polvo y en forma cristalina, tanto anhidra como hidratada.Su producción se estima enaproximadamente 20.000 toneladas, muy superior a la del resto de losoligosacáridos con funciones bifidogénicas tales como galacto-oligosacáridos,fructo-oligosacáridos y malto-oligosacáridos.
ESTRUCTURAY PROPIEDADES
La unión 1-4 entre los dos monosacáridos, galactosa y fructosa, haceposible que existan cinco formas anoméricas de la lactulosa tal y como semuestran en la figura 4.
En solución acuosa al 4% la lactulosa pura tiene una rotaciónespecífica [α]20 de -12º inicialmente y -51º en el equilibrio(6). Es higroscópica y su solubilidad en agua es 76.4± 1.4%. Su solubilidad enlos alcoholes metanol, etanol y propanol es aproximadamente diez veces superiora la de la lactosa (5). La forma anhidra, se cristaliza en mezclas metanol-aguay tiene un punto de fusión de 160ºC (6). Estudios en RMN han mostrado que laforma cristalina de la lactulosa corresponde al 4-O-β-galactopiranosil-β-D-fructofuranosa,con una pequeña proporción de4-O-β-galactopiranosil-β-D-fructopiranosa y4-O-β-galactopiranosil-α-D-fructofuranosa (7).
La forma trihidrato se cristaliza en soluciones acuosas, es estable enpresencia de humedad (30ºC y 81% de humedad relativa), tiene un punto de fusiónde 68ºC y pierde su agua de cristalización a temperaturas superiores a 5ºC (8).
ANALISISEN ALIMENTOS
Aunque existen diversos métodos basados en reacciones colorimétricastales como el de la antrona en medio ácido y el de la cisteina (2), los métodoscromatográficos han demostrado ser los mas adecuados para la determinación depequeñas cantidades de lactulosa en alimentos (9). La cromatografía en capa fina utilizando gel de sílice impregnadacon ácido bórico y empleando como eluyente acetonitrilo:agua 50:20 permite ladetección de hasta un 0.02% de lactulosa en la fracción de carbohidratos siendoposible la estimación semi-cuantitativa del contenido de lactulosa en leche(10).
Actualmente los métodos mas utilizados están basados en el uso de lascromatografías de gases (GC) y de líquidos (HPLC). Aunque la cromatografía degases requiere una derivatización de la muestra, proporciona una excelenteseparación de la lactulosa y el resto de los azúcares presentes en el alimento(figura 5). El compuesto mas utilizado en este tipo de análisis es eltrimetilsilil derivado que puede ser analizado en diferentes tipos de columnastales como OV-17, OV-25 y SE-54 (9).
La mayor parte de las determinaciones de lactulosa por HPLC han sidollevadas a cabo en columnas en fase inversa aunque se han utilizado también columnas de intercambio anionico tipo depolietilenimina o aminex y de intercambio cationico en forma Ca2+ (11).El método adoptado por la Federación Internacional de Lechería esta basado enla separación en una columna de intercambio ionico (12).
La aplicación de la electroforesis capilar para la separación delactulosa de mezclas complejas utilizando detección amperométrica permitelímites de detección en el rango de los femtomoles (11).
INDICADORTÉRMICO EN PRODUCTOS LÁCTEOS.
La formación de lactulosa durante el tratamiento térmico de la lecheno fue puesta de manifiesto hasta 1958 por Adachi (13) que detectó su presencia en leche sometida a tratamiento térmico severo (120ºC, 10h).Posteriormente Richards y Chandrasekhara (14) estudiaron la formación delactulosa en leche en polvo sometida a condiciones de conservación desfavorables. En 1978, se puso a punto ennuestros laboratorios un método de cromatografía de gases que permitía lacuantificación de cantidades del orden de 0.05% lactulosa en mezclas conlactosa y se utilizó en un estudio sobre el contenido en carbohidratos deleches comerciales (15). Los resultados obtenidos pusieron de manifiesto quela determinación de la lactulosapermitía diferenciar distintos tipos de leche basándose en el tratamientotérmico (tabla 3).
Posteriores estudios llevados a cabo en laboratorios de diferentespaises corroboraron la utilidad de la lactulosa como indicador térmico de laleche (11).
Lalactulosa generalmente no es detectableen leche pasteurizada aunque en algunas leches comerciales se han encontradocantidades de hasta 82 mg/l (16). En el caso de las leches en polvo los nivelesencontrados están en el rango comprendido entre 23 y 78.5 mg de lactulosa/l deleche reconstituida (17). Por lo que respecta a las leches UHT, los valoresencontrados en muestras comerciales, presentan una amplia variación, desde 100mg/l hasta valores superiores a 600 g/l. Los estudios cinéticos sobre formaciónde lactulosa en leche llevados a cabo indican que en las condiciones másenérgicas de tratamiento UHT el contenido máximo de lactulosa que se origina nosupera los 400 mg/l (18), no obstante, el Comité de Expertos en ProductosLácteos de la Unión Europea hapropuesto un límite para el contenido en lactulosa en leche UHT de 600 mg/l yen el caso de la leche esterilizada un contenido mínimo de 600 mg/l (19).
Hoy día, la lactulosa está considerada universalmente como elindicador químico más adecuado para la diferenciación de leches UHT y estérilesy su determinación se utiliza en las industrias como control de procesostérmicos.
ABSORCIÓNY METABOLISMO
La microflora gastrointestinal está constituida por una complejacolección de microorganismos que se encuentran en un delicado balanceinfluenciado por diversos factores tales como estado de salud, medicación,hábitos alimentarios, estado mental (estrés, depresión, etc.). Dichosmicroorganismos participan del proceso digestivo llevando a cabo el proceso defermentación de los substratos que llegan al intestino dando lugar a una granvariedad de productos que tienenincidencia en la salud del individuo. Varios cientos de especies de bacteriasestan generalmente presentes en el intestino con concentraciones del orden de1011 a 1012 microorganismos/g de heces secas. La mayoria de estas bacterias son anaerobiosestrictos. Las mas abundantes son del género Bacteroides, y Bifidobacterias asicomo clostridios. Escherichia coli está presente al menos en el 1% de la floraintestinal.
Entre las principales actividades enzimaticas de origen bacteriano enel intestino se incluyen la β-glucuronidasa capaz de liberar sustanciascarcinógenas a partir de conjugados del ácido glucurónico. Las azo ynitrorreductasas reducen sustratos nitrogenados a aminas, que son generalmentemas tóxicos que los productos de origen y la nitrato reductasa que genera elanión nitrito que es muy tóxico. La producción de metabolitos en heces tales como en amoniaco, originado a partirde proteinas y de la urea, se relaciona con la producción de tumores. Otrosmetabolitos tales como fenoles, cresoles y diacilglicerol son tambienpotenciales promotores de enfermedades del colon.
Las Bifidobacterias y los Lactobacilos no producen cantidadessignificativas de dichas enzimas por lo que están consideradas comomicroorganismos beneficiosos (bacterias probioticas) (20). Por tanto, elmantenimiento de tasas elevadas de Bifidobacterias en la flora microbiana intestinal es fundamental para preservar lasalud del individuo.
La lactulosa no se digiere en el intestino delgado y al llegar alcolon sirve como fuente de energía para las bacterias intestinales que tienencapacidad de hidrolizarla. La lactulosa es un buen substrato para lasBifidobacterias y bacterias lácticas en general mientras que otras bacteriasintestinales tales como Escherichia coli y Bacteroides fragilis metabolizan lalactulosa muy lentamente (21, 24).
Como consecuencia de la asimilación de la lactulosa por las Bifidobacterias, se originan ácidosgrasos de cadena corta, fundamentalmente acético, propionico y butírico a lavez que desciende el pH y se inhibe la proliferación de E. coli, Bacteroides yClostridios (tabla 4). Por tanto, incorporación de lactulosa en la dietaorigina un aumento en bacterias probioticas y una disminución de las bacteriasputrefactivas y potenciales patógenos. Estas variaciones de la flora intestinaltienen las siguientes consecuencias: 1)reducción de las actividades enzimáticas de β-glucosidasa,β-glucuronidasa, azo-reductasa y nitro-reductasa, 2) aumento de lapresencia en heces de ácidos orgánicos de cadena corta, 3) disminución del pH yaumento de la humedad en heces (tabla 5) (22).
TRATAMIENTODEL ESTREÑIMIENTO.
Los productos del metabolismo de la lactulosa aumentan la presiónosmótica del contenido intestinal lo que da lugar a una mayor retención deagua, facilitando el barrido fecal hacia el recto. La lactulosa se utiliza parael tratamiento del estreñimiento y es eficaz tanto en niños como en adultos yancianos y su eficacia ha sido comprobada en numerosos estudios clínicos (23,24) sin presentar las contraindicaciones de los laxantes comúnmente utilizados.Su empleo como laxante ha sido aprobado en numerosos paises, siendo utilizadohabitualmente en hospitales.
En Finlandia se han llevado a cabo diversos estudios en centros de salud sobre la utilización deyogures edulcorados con un 6 – 6.7% delactulosa para el tratamiento del estreñimiento crónico (21, 25). Se apreció unaumento en la frecuencia de deposición y una disminución del pH de las heces.El consumo de hasta 15 g de lactulosa en yogures no produjo diarrea aunque seobservaron algunos casos de aumento de flatulencia y meteorismo quedesaparecieron después de un consumo prolongado de yogures con lactulosa. Losefectos observados indican que dichos yogures pueden ser beneficiosos en eltratamiento del estreñimiento crónico.
TRATAMIENTODE LA ENCEFALOPATIA HEPÁTICA
El amoniaco es uno de los productos originados durante el metabolismointestinal y el hígado es el encargado de su eliminación junto con otrosproductos tóxicos generados por las bacterias intestinales. En individuos coninsuficiencia hepática se reduce la capacidad de eliminación y como resultado,el encéfalo queda expuesto a la acción del amoniaco, produciéndose un daño delsistema nervioso central y del sistema neuromuscular. El mecanismo de acción dela lactulosa no está totalmente establecido pero está íntimamente relacionadocon la formación de ácidos grasos de cadena corta. Estos ácidos, al producirsedurante el metabolismo de la lactulosa, reducen el pH intestinal y enconsecuencia el amoniaco es transformado en ion amonio inhibiéndose su transporte a través de la mucosa (26). Otromecanismo de acción propuesto consiste en que la lactulosa proporciona unafuente de energía que estimula el desarrollo de las Bifidobacterias y por lotanto aumenta la incorporación del amoniaco y otras sustancias nitrogenadas enel aumento de la masa bacteriana (27).
Esta aplicación de la lactulosa fue descrita en 1966 (28) y en laactualidad esta autorizada en diversos paises como medicamento en eltratamiento de la encefalopatía hepática e hiperamonemia (24).
TRATAMIENTODE INFECCIONES Y TRASTORNOS INFLAMATORIOS DEL INTESTINO.
La utilización de la lactulosa ha sido estudiada en el tratamiento deinfecciones intestinales, colitis ulcerosa y enfermedad de Crohn (29). El ácidoláctico y los ácidos grasos de cadena corta, producidos en el intestino comoconsecuencia del metabolismo de la lactulosa, son bactericidas para muchosmicroorganismos patógenos y protegen de la infección. Además, los ácidos grasosde cadena corta, especialmente el butírico, ejerce un efecto antiinflamatoriosobre la mucosa del colon que ha sido demostrado en varios estudios clínicos(29).
El uso de antibióticos durante la fase aguda de la salmonelosis tiendea prolongar la duración de la excreción de la bacteria (26). La lactulosa hasido utilizada con éxito en el tratamiento de infecciones intestinales, suacción depende de la formación de ácido láctico y ácidos grasos de cadena cortadurante su metabolismo (30). La Salmonella prefiere medios neutros o alcalinospara su crecimiento y no crece cuando el pH es menor de 4.5 (31). El estado deportador puede ser erradicado en mas del 80% de los pacientes mediante lautilización de lactulosa (26).
UTILIZACIONEN EL ESTUDIO DE DESORDENES INTESTINALES.
Cuando la lactulosa es metabolizada por las bacterias intestinales, seorigina hidrógeno entre otros metabolitos. El hidrógeno se absorbe en elorganismo y se elimina por la respiración por lo que puede ser determinadofácilmente mediante un análisis de aliento (prueba de aire expirado). El tiempoque tarda en producirse un aumento del contenido en hidrógeno es una medidade la velocidad de tránsito intestinal y tienen diversas aplicaciones, talescomo el efecto de medicamentos en la flora (32) o en la motilidad intestinal(33) y presencia excesiva de bacteriasen el intestino delgado (34).
La lactulosa se utiliza igualmente como marcador en la determinaciónde la permeabilidad pasiva del intestino. La lactulosa pude atravesar la paredintestinal por vía paracelular y la permeabilidad puede determinarse medianteel análisis del contenido de lactulosa en orina. Con el objeto de eliminar posibles fuentes deerror, se utiliza en combinación con otro marcador, tal como el manitol o laramnosa, cuyo paso a través de la pared intestinal sea por vía transcelular yal igual que la lactulosa, una vez absorbido no sea metabolizado y se excretecompletamente a través del riñón. La relación lactulosa/manitol en orinapermite evaluar el grado de permeabilidad intestinal (35). Esta determinaciónpermite abordar diferentes estudios relacionados con lesiones en la mucosa del intestino delgado. Así, en elcaso de la enfermedad de Crohn, la relación lactulosa/manitol es mayor que en sujetos sanos ( 36), en la enfermedad celíaca,que se debe a una reacción anormal al gluten, que daña los enterocitos delintestino delgado produciendo una atrofia en las vellosidades, la medida de la permeabilidad estáíntimamente relacionada con la atrofia de dichas vellosidades (37, 38). Medidasde la permeabilidad intestinal tienen también interés en enfermos coninsuficiencia pancreática (39), en ancianos (40), pacientes infectados con el virus de la inmunodeficiencia (41)así como para el estudio del efecto dela dieta (42) y de endotoxinas en la integridad de la pared intestinal (43).
OTRASAPLICACIONES TERAPEUTICAS
Aunque la formación decálculos de colesterol (colelitiasis) depende de diversos factores, lahipersaturación de colesterol en la bilis y el desequilibrio de la relación colesterol/ácidosbiliares/fosfolípidos juegan un papeldecisivo.
Lasbacterias intestinales, mediante una 7-α-deshidroxilación, convierten losácidos biliares primarios (cólico y quenodesoxicólico) en ácidos biliares secundarios: ácido desoxicólico y ácidolitocólico. Mientras que la mayor parte del ácido litocólico se excreta con lasheces, el ácido desoxicólico es captado por el hígado. Un aumento en ácido desoxicólico a su pasopor el hígado favorece la secreción de colesterol y como consecuencia seproduce un aumento de colesterol en la bilis aumentando el riesgo de formaciónde cálculos (44). Esto significa que si se disminuye la cantidad de ácidodesoxicólico que fluye por el hígado se consigue una disminución de laproducción de colesterol, lo que puede prevenir la formación de cálculos.
Como resultado de la acidificación del contenido intestinal por laingesta de lactulosa, se inhibe la 7-α-deshidroxilación del ácido cólico yaumenta la eliminación en heces de ácidos biliares (29).
Marcus y Heaton (45) mostraron que el estreñimiento inducido porfármacos que inhiben la motilidad, aumenta la proporción de ácido desoxicólicoy colesterol en la bilis y por el contrario un rápido tránsito intestinalinducido por lactulosa o una dieta muy rica en fibra dietética, reducen elporcentaje de ambos en la bilis.
Aunque estos resultados parecen indicar un efecto positivo, laformación de cálculos biliares es una enfermedad multifactorial y por elloserán necesarios mas estudios clínicos antes de poder considerar a la lactulosacomo medicamento eficaz para su tratamiento.
También se han observado sus efectos en la prevención de cáncer decolon (46), tratamiento del fallo renal (24) y en el tratamiento de diabéticos(47) y los resultados obtenidos hasta la fecha animan a profundizar en suestudio con el objeto de establecer claramente los mecanismos de acción de lalactulosa.
UTILIZACIÓNEN ALIMENTOS.
El hecho de que las Bifidobacterias constituyan la flora intestinalpredominante en los bebés que se alimentancon leche materna, y que los niveles de Bifidobacterias disminuyan cuando losbebes se alimentan con leche de vaca, ha llevado a muchos investigadores a labúsqueda de procedimientos para favorecer la presencia de Bifidobacterias enlactantes no alimentados con leche materna ya que una disminución de lapresencia de Bifidobacterias pueda tener consecuencias desfavorables par lasalud (2).
Petuely (48) fue el primero en conseguirlo añadiendo lactulosa en ladieta. Su fórmula incluía 1.2 g de lactulosa/70kcal. Posteriormente, Grütte yHaenel (49) llevaron a cabo un estudio en dos hospitales infantiles con gruposde 35 recién nacidos que fueron alimentados con leche materna los primeros díasy a continuación se dividieron en tres grupos que se alimentaron con diferentesfórmulas infantiles, de las que solamente dos de ellas contenían lactulosa. Laconclusión del estudio fue que la adición de 1.2 – 1.5% de lactulosa en ladieta induce a un aumento de Bifidobacterias en el intestino grueso y el pHdisminuye aunque sin alcanzar los valores de pH encontrados en bebesalimentados con leche materna. La incorporación de lactulosa en la dietaproporciona una fuente de carbohidratos en el intestino grueso del mismo modoque los oligosacáridos de la leche humana lo hacen en el caso de alimentacióncon leche materna.
Actualmente, se comercializan en distintos paises europeos y en Japón,varios productos para alimentación infantil con diferentes contenidos delactulosa así como leches fermentadas y productos en polvo con contenidos enlactulosa del 4% y 8.3% respectivamente(8, 50).
CONSIDERACIONESFINALES
Se han cumplido setenta años desde el descubrimiento de la lactulosa ymás de cuarenta desde los primeros estudios sobre su utilización como factor decrecimiento de Bifidobacterias. Los numerosos trabajos de investigaciónllevados a cabo han demostrado su utilidad en el tratamiento de diferentesenfermedades. Los múltiples modos de acción de la lactulosa en el organismo,hacen de ella una sustancia cuyo estudio aun despierta el interés de muchos investigadores y es previsible que enlos próximos años aparezcan nuevas utilizaciones en la elaboración de alimentosy aplicaciones terapéuticas de la lactulosa sola o en combinación con otrassubstancias.
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