Descripcion

La Lactulosa, un carbohidrato singular.

Discurso de ingreso del Académico Correspondiente

Excmo. Sr. D. Agustín Olano Villén

22 de Noviembre de 2000

La elección del tema objeto de mi intervención lo han motivado razones tanto de tipo personal como de interés científico. Desde el punto de vista personal, la lactulosa es un carbohidrato que fue objeto de mis primeros trabajos de investigación en temas lácteos hace mas de veinte años y sobre el cual he continuado estudiando diferentes aspectos de sus aplicaciones en Tecnología de Alimentos. Por otra parte, el amplio abanico de aplicaciones  tanto desde el punto de vista de control de procesos y control de calidad en la industria  como de ingrediente prebiotico en alimentos o medicamento para el tratamiento de diferentes enfermedades hace de la lactulosa un substrato de interes  para investigadores de muy diversas disciplinas científicas

OBTENCION

La lactulosa (4-O-β-galactopiranosil-D-fructosa) es un disacárido que se origina por isomerización de la lactosa en medios básicos. Desde el primer trabajo de Montgomery y Hudson (1) en el que se describe la isomerización de lactosa a lactulosa por tratamiento con hidróxido de calcio ( fig.1), numerosos autores han estudiado la obtención de lactulosa basándose en el mismo principio  pero utilizando diferentes catalizadores, tales como hidróxidos alcalinos, oxido de magnesio, aluminatos etc. (2). En todas las condiciones estudiadas, la conversión de lactosa en lactulosa va acompañada de una serie de reacciones de degradación que dan lugar a numerosos compuestos que dificultan el aislamiento de la lactulosa del medio de reacción (fig.2). Para obtener lactulosa purificada, se desioniza la mezcla de reacción mediante el tratamiento con resinas de intercambio ionico, 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 en medio básico (fig.3) por lo que la utilización de boratos como catalizadores de la reacción de isomerización, evita las reacciones de degradación y permite la obtención de lactulosa en rendimientos superiores al 75% (3, 4).

Otros procedimientos de purificación de la lactulosa estan basados en las diferencias de solubilidad de la lactosa y la lactulosa en alcoholes (5). La solubilidad de ambos disacáridos en alcoholes aumenta con el contenido de humedad y disminuye con el aumento del peso molecular del alcohol (Tabla 1). En todas las condiciones estudiadas, la solubilidad de la lactulosa es mas de diez veces superior a la de la lactosa. A partir de mezclas equimoleculares de lactosa 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 distintos grados de pureza, en polvo y en forma cristalina, tanto anhidra como hidratada. Su producción  se estima en aproximadamente 20.000 toneladas, muy superior a la del resto de los oligosacáridos con funciones bifidogénicas tales como galacto-oligosacáridos, fructo-oligosacáridos y malto-oligosacáridos.

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

La unión 1-4 entre los dos monosacáridos, galactosa y fructosa, hace posible que existan cinco formas anoméricas de la lactulosa tal y como se muestran en la figura 4.  

En solución acuosa al 4% la lactulosa pura tiene una rotación específica [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 en los alcoholes metanol, etanol y propanol es aproximadamente diez veces superior a la de la lactosa (5). La forma anhidra, se cristaliza en mezclas metanol-agua y tiene un punto de fusión de 160ºC (6). Estudios en RMN han mostrado que la forma cristalina de la lactulosa corresponde al 4-O-β-galactopiranosil-β-D-fructofuranosa, con una pequeña proporción de 4-O-β-galactopiranosil-β-D-fructopiranosa y 4-O-β-galactopiranosil-α-D-fructofuranosa (7).

La forma trihidrato se cristaliza en soluciones acuosas, es estable en presencia de humedad (30ºC y 81% de humedad relativa), tiene un punto de fusión de 68ºC y pierde su agua de cristalización a temperaturas superiores a 5ºC (8).

ANALISIS EN ALIMENTOS

Aunque existen diversos métodos basados en reacciones colorimétricas tales como el de la antrona en medio ácido y el de la cisteina (2), los métodos cromatográficos han demostrado ser los mas adecuados para la determinación de pequeñas cantidades de lactulosa en alimentos (9).  La cromatografía en capa fina utilizando gel de sílice impregnada con ácido bórico y empleando como eluyente acetonitrilo:agua 50:20 permite la detección de hasta un 0.02% de lactulosa en la fracción de carbohidratos siendo posible la estimación semi-cuantitativa del contenido de lactulosa en leche (10).

Actualmente los métodos mas utilizados están basados en el uso de las cromatografías de gases (GC) y de líquidos (HPLC). Aunque la cromatografía de gases requiere una derivatización de la muestra, proporciona una excelente separación 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 el trimetilsilil derivado que puede ser analizado en diferentes tipos de columnas tales como OV-17, OV-25 y SE-54 (9).

La mayor parte de las determinaciones de lactulosa por HPLC han sido llevadas a cabo en columnas en fase inversa  aunque se han utilizado también columnas de intercambio anionico tipo de polietilenimina o aminex y de intercambio cationico en forma Ca²⁺ (11). El método adoptado por la Federación Internacional de Lechería esta basado en la separación en una columna de intercambio ionico (12).

La aplicación de la electroforesis capilar para la separación de lactulosa de mezclas complejas utilizando detección amperométrica permite límites de detección en el rango de los femtomoles (11).

INDICADOR TÉRMICO EN PRODUCTOS LÁCTEOS.

La formación de lactulosa durante el tratamiento térmico de la leche no 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 de lactulosa en leche en polvo sometida a condiciones  de conservación desfavorables. En 1978, se puso a punto en nuestros laboratorios un método de cromatografía de gases que permitía la cuantificación de cantidades del orden de 0.05% lactulosa en mezclas con lactosa y se utilizó en un estudio sobre el contenido en carbohidratos de leches comerciales (15). Los resultados obtenidos pusieron de manifiesto que la  determinación de la lactulosa permitía diferenciar distintos tipos de leche basándose en el tratamiento térmico (tabla 3).

Posteriores estudios llevados a cabo en laboratorios de diferentes paises corroboraron la utilidad de la lactulosa como indicador térmico de la leche (11).

La lactulosa  generalmente no es detectable en leche pasteurizada aunque en algunas leches comerciales se han encontrado cantidades de hasta 82 mg/l (16). En el caso de las leches en polvo los niveles encontrados están en el rango comprendido entre 23 y 78.5 mg de lactulosa/l de leche reconstituida (17). Por lo que respecta a las leches UHT, los valores encontrados en muestras comerciales, presentan una amplia variación, desde 100 mg/l hasta valores superiores a 600 g/l. Los estudios cinéticos sobre formación de lactulosa en leche llevados a cabo indican que en las condiciones más enérgicas de tratamiento UHT el contenido máximo de lactulosa que se origina no supera los 400 mg/l (18), no obstante, el Comité de Expertos en Productos Lácteos de la Unión Europea  ha propuesto un límite para el contenido en lactulosa en leche UHT de 600 mg/l y en el caso de la leche esterilizada un contenido mínimo de 600 mg/l (19).

Hoy día, la lactulosa está considerada universalmente como el indicador químico más adecuado para la diferenciación de leches UHT y estériles y su determinación se utiliza en las industrias como control de procesos térmicos.

ABSORCIÓN Y METABOLISMO

La microflora gastrointestinal está constituida por una compleja colección de microorganismos que se encuentran en un delicado balance influenciado por diversos factores tales como estado de salud, medicación, hábitos alimentarios, estado mental (estrés, depresión, etc.). Dichos microorganismos participan del proceso digestivo llevando a cabo el proceso de fermentación de los substratos que llegan al intestino dando lugar a una gran variedad de productos  que tienen incidencia en la salud del individuo. Varios cientos de especies de bacterias estan generalmente presentes en el intestino con concentraciones del orden de 10¹¹ a 10¹² microorganismos/g de heces secas.  La mayoria de estas bacterias son anaerobios estrictos. Las mas abundantes son del género Bacteroides, y Bifidobacterias asi como clostridios. Escherichia coli está presente al menos en el 1% de la flora intestinal.

Entre las principales actividades enzimaticas de origen bacteriano en el intestino se incluyen la β-glucuronidasa capaz de liberar sustancias carcinógenas a partir de conjugados del ácido glucurónico. Las azo y nitrorreductasas reducen sustratos nitrogenados a aminas, que son generalmente mas tóxicos que los productos de origen y la nitrato reductasa que genera el anión nitrito que es muy tóxico. La producción de  metabolitos en heces tales como en amoniaco, originado a partir de proteinas y de la urea, se relaciona con la producción de tumores. Otros metabolitos tales como fenoles, cresoles y diacilglicerol son tambien potenciales promotores de enfermedades del colon.

Las Bifidobacterias y los Lactobacilos no producen cantidades significativas de dichas enzimas por lo que están consideradas como microorganismos beneficiosos (bacterias probioticas) (20). Por tanto, el mantenimiento de tasas elevadas de Bifidobacterias en  la flora microbiana intestinal es fundamental para preservar la salud del individuo.

La lactulosa no se digiere en el intestino delgado y al llegar al colon sirve como fuente de energía para las bacterias intestinales que tienen capacidad de hidrolizarla. La lactulosa es un buen substrato para las Bifidobacterias y bacterias lácticas en general mientras que otras bacterias intestinales tales como Escherichia coli y Bacteroides fragilis metabolizan la lactulosa muy lentamente (21, 24).

Como consecuencia de la asimilación de la lactulosa  por las Bifidobacterias, se originan ácidos grasos de cadena corta, fundamentalmente acético, propionico y butírico a la vez que desciende el pH y se inhibe la proliferación de E. coli, Bacteroides y Clostridios (tabla 4). Por tanto, incorporación de lactulosa en la dieta origina un aumento en bacterias probioticas y una disminución de las bacterias putrefactivas y potenciales patógenos. Estas variaciones de la flora intestinal tienen las siguientes consecuencias:  1) reducción de las actividades enzimáticas de β-glucosidasa, β-glucuronidasa, azo-reductasa y nitro-reductasa, 2) aumento de la presencia en heces de ácidos orgánicos de cadena corta, 3) disminución del pH y aumento de la humedad en heces (tabla 5) (22).

TRATAMIENTO DEL ESTREÑIMIENTO.

Los productos del metabolismo de la lactulosa aumentan la presión osmótica del contenido intestinal lo que da lugar a una mayor retención de agua, facilitando el barrido fecal hacia el recto. La lactulosa se utiliza para el tratamiento del estreñimiento y es eficaz tanto en niños como en adultos y ancianos 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 utilizado habitualmente en hospitales.

En Finlandia se han llevado a cabo diversos estudios  en centros de salud sobre la utilización de yogures edulcorados con  un 6 - 6.7% de lactulosa para el tratamiento del estreñimiento crónico (21, 25). Se apreció un aumento 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 se observaron algunos casos de aumento de flatulencia y meteorismo que desaparecieron después de un consumo prolongado de yogures con lactulosa. Los efectos observados indican que dichos yogures pueden ser beneficiosos en el tratamiento del estreñimiento crónico.

TRATAMIENTO DE LA ENCEFALOPATIA HEPÁTICA

El amoniaco es uno de los productos originados durante el metabolismo intestinal y el hígado es el encargado de su eliminación junto con otros productos tóxicos generados por las bacterias intestinales. En individuos con insuficiencia hepática se reduce la capacidad de eliminación y como resultado, el encéfalo queda expuesto a la acción del amoniaco, produciéndose un daño del sistema nervioso central y del sistema neuromuscular. El mecanismo de acción de la lactulosa no está totalmente establecido pero está íntimamente relacionado con la formación de ácidos grasos de cadena corta. Estos ácidos, al producirse durante el metabolismo de la lactulosa, reducen el pH intestinal y en consecuencia el amoniaco es transformado en  ion amonio inhibiéndose su transporte a través de la mucosa (26). Otro mecanismo de acción propuesto consiste en que la lactulosa proporciona una fuente de energía que estimula el desarrollo de las Bifidobacterias y por lo tanto aumenta la incorporación del amoniaco y otras sustancias nitrogenadas en el aumento de la masa bacteriana (27).

Esta aplicación de la lactulosa fue descrita en 1966 (28) y en la actualidad esta autorizada en diversos paises como medicamento en el tratamiento de la encefalopatía  hepática e hiperamonemia (24).

TRATAMIENTO DE INFECCIONES Y TRASTORNOS INFLAMATORIOS DEL INTESTINO.

La utilización de la lactulosa ha sido estudiada en el tratamiento de infecciones intestinales, colitis ulcerosa y enfermedad de Crohn (29). El ácido láctico y los ácidos grasos de cadena corta, producidos en el intestino como consecuencia del metabolismo de la lactulosa, son bactericidas para muchos microorganismos patógenos y protegen de la infección. Además, los ácidos grasos de cadena corta, especialmente el butírico, ejerce un efecto antiinflamatorio sobre la mucosa del colon que ha sido demostrado en varios estudios clínicos (29).

El uso de antibióticos durante la fase aguda de la salmonelosis tiende a prolongar la duración de la excreción de la bacteria (26). La lactulosa ha sido utilizada con éxito en el tratamiento de infecciones intestinales, su acción depende de la formación de ácido láctico y ácidos grasos de cadena corta durante su metabolismo (30). La Salmonella prefiere medios neutros o alcalinos para su crecimiento y no crece cuando el pH es menor de 4.5 (31). El estado de portador puede ser erradicado en mas del 80% de los pacientes mediante la utilización de lactulosa  (26).

UTILIZACION EN EL ESTUDIO DE DESORDENES INTESTINALES.

Cuando la lactulosa es metabolizada por las bacterias intestinales, se origina hidrógeno entre otros metabolitos. El hidrógeno se absorbe en el organismo y se elimina por la respiración por lo que puede ser determinado fácilmente mediante un análisis de aliento (prueba de aire expirado). El tiempo que tarda en producirse un aumento del contenido en  hidrógeno  es una medida de la velocidad de tránsito intestinal y tienen diversas aplicaciones, tales como el efecto de medicamentos en la flora (32) o en la motilidad intestinal (33) y  presencia excesiva de bacterias en el intestino delgado (34).

La lactulosa se utiliza igualmente como marcador en la determinación de la permeabilidad pasiva del intestino. La lactulosa pude atravesar la pared intestinal por vía paracelular y la permeabilidad puede determinarse mediante el análisis del contenido de lactulosa en orina. Con el  objeto de eliminar posibles fuentes de error, se utiliza en combinación con otro marcador, tal como el manitol o la ramnosa, cuyo paso a través de la pared intestinal sea por vía transcelular y al igual que la lactulosa, una vez absorbido no sea metabolizado y se excrete completamente a través del riñón. La relación lactulosa/manitol en orina permite evaluar el grado de permeabilidad intestinal (35). Esta determinación permite abordar diferentes estudios  relacionados con lesiones en la mucosa del intestino delgado. Así, en el caso 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 del intestino delgado produciendo una atrofia en las vellosidades,  la medida de la permeabilidad está íntimamente relacionada con la atrofia de dichas vellosidades (37, 38). Medidas de la permeabilidad intestinal tienen también interés en enfermos con insuficiencia pancreática (39), en ancianos (40),  pacientes infectados con el virus de la inmunodeficiencia (41) así como  para el estudio del efecto de la dieta (42) y de endotoxinas en la integridad de la pared intestinal (43).

OTRAS APLICACIONES TERAPEUTICAS

Aunque la  formación de cálculos de colesterol (colelitiasis) depende de diversos factores, la hipersaturación de colesterol en la bilis  y el desequilibrio de la relación colesterol/ácidos biliares/fosfolípidos  juegan un papel decisivo.

Las bacterias intestinales, mediante una 7-α-deshidroxilación, convierten los ácidos biliares primarios (cólico y quenodesoxicólico) en ácidos biliares  secundarios: ácido desoxicólico y ácido litocólico. Mientras que la mayor parte del ácido litocólico se excreta con las heces, el ácido desoxicólico es captado por el hígado.  Un aumento en ácido desoxicólico a su paso por el hígado favorece la secreción de colesterol y como consecuencia se produce un aumento de colesterol en la bilis aumentando el riesgo de formación de cálculos (44). Esto significa que si se disminuye la cantidad de ácido desoxicólico que fluye por el hígado se consigue una disminución de la producción de colesterol, lo que puede prevenir la formación de cálculos.

Como resultado de la acidificación del contenido intestinal por la ingesta de lactulosa, se inhibe la 7-α-deshidroxilación del ácido cólico y aumenta la eliminación en heces de ácidos biliares (29).

Marcus y Heaton (45) mostraron que el estreñimiento inducido por fármacos que inhiben la motilidad, aumenta la proporción de ácido desoxicólico y colesterol en la bilis y por el contrario un rápido tránsito intestinal inducido por lactulosa o una dieta muy rica en fibra dietética, reducen el porcentaje de ambos en la bilis.

Aunque estos resultados parecen indicar un efecto positivo, la formación de cálculos biliares es una enfermedad multifactorial y por ello serán necesarios mas estudios clínicos antes de poder considerar a la lactulosa como medicamento eficaz para su tratamiento.

También se han observado sus efectos en la prevención de cáncer de colon (46), tratamiento del fallo renal (24) y en el tratamiento de diabéticos (47) y los resultados obtenidos hasta la fecha animan a profundizar en su estudio con el objeto de establecer claramente los mecanismos de acción de la lactulosa.

UTILIZACIÓN EN ALIMENTOS.

El hecho de que las Bifidobacterias constituyan la flora intestinal predominante en los bebés  que se alimentan con leche materna, y que los niveles de Bifidobacterias disminuyan cuando los bebes se alimentan con leche de vaca, ha llevado a muchos investigadores a la búsqueda de procedimientos para favorecer la presencia de Bifidobacterias en lactantes no alimentados con leche materna ya que una disminución de la presencia de Bifidobacterias pueda tener consecuencias desfavorables par la salud (2).

Petuely (48) fue el primero en conseguirlo añadiendo lactulosa en la dieta. Su fórmula incluía 1.2 g de lactulosa/70kcal. Posteriormente, Grütte y Haenel (49) llevaron a cabo un estudio en dos hospitales infantiles con grupos de 35 recién nacidos que fueron alimentados con leche materna los primeros días y a continuación se dividieron en tres grupos que se alimentaron con diferentes fórmulas infantiles, de las que solamente dos de ellas contenían lactulosa. La conclusión del estudio fue que la adición de 1.2 - 1.5% de lactulosa en la dieta induce a un aumento de Bifidobacterias en el intestino grueso y el pH disminuye aunque sin alcanzar los valores de pH encontrados en bebes alimentados con leche materna. La incorporación de lactulosa en la dieta proporciona una fuente de carbohidratos en el intestino grueso del mismo modo que los oligosacáridos de la leche humana lo hacen en el caso de alimentación con leche materna.

Actualmente, se comercializan en distintos paises europeos y en Japón, varios productos para alimentación infantil con diferentes contenidos de lactulosa así como leches fermentadas y productos en polvo con contenidos en lactulosa  del 4% y 8.3% respectivamente (8, 50).

CONSIDERACIONES FINALES

Se han cumplido setenta años desde el descubrimiento de la lactulosa y más de cuarenta desde los primeros estudios sobre su utilización como factor de crecimiento de Bifidobacterias. Los numerosos trabajos de investigación llevados a cabo han demostrado su utilidad en el tratamiento de diferentes enfermedades. 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 en los próximos años aparezcan nuevas utilizaciones en la elaboración de alimentos y aplicaciones terapéuticas de la lactulosa sola o en combinación con otras substancias.

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Contenidos

	Nombre	Fecha de publicación	Precio
	La Lactulosa, un carbohidrato singular	2000-11-22	Gratuito

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