커피 컬럼 정보

에스프레소 머신에서 추출수 온도가 추출 결과물에 미치는 영향

2020-09-01


외부 기고자 (주)빈브라더스


에스프레소 머신에서 추출수 온도가 추출 결과물에 미치는 영향

by Bean brothers



1. 서론


훌륭한 품질의 커피를 일관성 있게 제조하기 위해선 생두 선별과 로스팅 과정 뿐만 아니라 추출 과정도 중요한 요소 중 하나이다. 

특히 추출 과정은 원두의 보관부터 분쇄, 도징 방법, 탬핑, 추출 압력, 추출 온도 등 셀 수 없이 많은 변수들이 추출 결과물에 영향을 미친다.


이러한 여러 변수들 중 추출수 온도는 에스프레소 머신의 발전 과정에서도 중요한 요소로 여겨져 왔다. 최초의 에스프레소 머신으로 알려져 있는 루이지 베제라의 머신부터 에르네스토 발렌테가 설계한 Faema E61 머신, La marzocco에서 개발한 GS 머신까지 바리스타들이 커피 추출에 대한 지식이 쌓여갈 수록 추출수 온도를 더욱 정교하게 세팅하길 원했고, 에스프레소 머신 개발자들은 이러한 요구에 맞춰 머신을 발전시켜왔다.


이렇듯 추출수 온도가 커피 추출에 있어 중요한 변수라는 것은 의심의 여지가 없다. 이번 실험의 목적은 추출수 온도가 추출 결과물에 미치는 영향을 연구하고, 나아가 빈브라더스에서 사용하는 블렌딩 원두인 블랙수트와 벨벳화이트의 적정 추출수 온도 기준을 세우고자 하였다.


1.1. 커피 추출 과정

추출수 온도에 따라 추출 결과물이 달라지는 이유에 대해 이해하기 위해선 커피 추출 과정에 대한 이해가 필요하다.


커피 추출은 커피 성분과 물 분자 사이 경계면에서의 용해 과정과 추출수에 용해된 커피 성분이 추출수 전체로 확산되는 과정을 말한다. 즉, 커피 성분을 더욱 효율적으로 추출하기 위해선 용해도와 확산 속도를 높여줘야 한다.


여기서 용해는 용질(커피)-용매(물) 분자 간 인력의 세기가 강하거나 용질과 용매의 온도가 높을 경우 증가하고, 확산은 경계면에서의 농도 차이가 크거나 온도가 높을 때, 압력, 밀도, 점성, 분자의 크기가 작을 때 증가한다. 


그러므로, 다른 변수가 모두 같다고 할 때 추출수의 온도가 높다면 커피 성분을 더욱 효율적으로 추출할 수 있게 된다.


1.1.1. 용해

용해란 서로 다른 두 물질이 균일하게 섞일 때 사용하는 말이다. 여기서 녹는 물질을 용질, 녹이는 물질을 용매라고 한다. 

더 자세히 이야기하면 용해란 용질 분자와 용매 분자가 서로 결합하는 현상이며, 이 현상은 아래 3단계를 거친다.


출처 : 네이버


1. 용질 분자가 서로의 인력을 끊고 분리된다.

2. 용매 분자가 서로의 인력을 끊고 분리된다.

3. 용질 분자와 용매 분자가 서로의 인력으로 인해 결합한다.


이 때, 용질-용질 간 인력과 용매-용매 간 인력이 용질-용매 간 인력보다 작을 경우엔 용질이 용매에 쉽게 용해될 수 있다. 하지만, 용질-용질 간 인력과 용매-용매 간 인력이 용질-용매 간 인력보다 클 경우엔 용질이 용매에 용해되기 쉽지 않다. 이 경우엔 분자가 서로 섞임으로써 엔트로피가 증가하고 이로 인해 에너지가 방출되어 용해가 이루어진다. 


물질의 용해도는 인력 외에도 온도 변화와 큰 연관관계가 있다. 온도 변화에 따라 용해도가 달라지는 이유를 정확히 알기 위해선 용해 과정의 열함량(엔탈피)과 무질서도(엔트로피)의 변화에 대해 알아야 한다.


(1) 열함량(엔탈피) 변화

분자가 서로의 인력을 끊을 땐 열에너지가 필요한 흡열 반응이 발생한다. 분자가 서로 결합할 땐 열에너지가 방출되는 발열 반응이 발생한다.


즉, 용해 과정에서

- 용질 분자-용질 분자 간 인력을 끊을 때의 열함량(엔탈피)을 ΔH1 이라 하고, 이는 흡열 반응이므로 ΔH1>0으로 나타낼 수 있다.

- 용매 분자-용매 분자 간 인력을 끊을 때의 열함량(엔탈피)을 ΔH2 이라 하고, 이는 흡열 반응이므로 ΔH2>0으로 나타낼 수 있다.

- 용질 분자-용매 분자끼리 결합될 때의 열함량(엔탈피)을 ΔH3 이라 하고, 이는 발열 반응이므로 ΔH3<0으로 나타낼 수 있다.


용해 반응의 총 용해 열함량(용해 엔탈피)은 위에서 이야기 한 세 단계의 열함량의 합, 다시 말해 ΔH용해=ΔH1+ΔH2+ΔH3으로 표현할 수 있다.



출처 : 네이버



여기서 용해열 ΔH용해 값이 음의 값이면 용해 반응은 발열 반응을 뜻하며(ΔH1+ΔH2<-ΔH3), 이는 용질 분자와 용매 분자끼리의 인력이 상대적으로 강함을 뜻한다.

용해열 ΔH용해 값이 양의 값이면 용해 반응은 흡열 반응이며(ΔH1+ΔH2>-ΔH3), 이는 용질 분자와 용매 분자끼리의 인력이 상대적으로 약함을 뜻 한다.


즉, 용해 과정이 발열 반응일 경우(ΔH용해<0) 용해가 이뤄질수록 열에너지가 방출되므로 온도가 낮을 때 용해도가 증가하고, 용해 과정이 흡열 반응일 경우(ΔH용해>0) 용해가 이뤄질수록 열에너지가 필요하므로 온도가 높을 때 용해도가 증가한다. 

(대부분의 고체 성분은 용해 과정이 흡열 반응을 나타낸다. 반대로 대부분의 기체 성분은 용해 과정이 발열 반응을 나타낸다.)


(2) 무질서도(엔트로피) 변화

모든 자연현상은 무질서해지려는 경향이 있다. 이는 연기가 주위로 퍼져 나가는 것을 생각하면 쉽다. 엔트로피 라는 것은 이 무질서해지는 정도, 즉 무질서도를 뜻 한다. 이 엔트로피는 용해에서도 아주 중요하다.



출처: https://courses.lumenlearning.com/suny-introductory-chemistry/chapter/measuring-entropy-and-entropy-changes/



엔트로피는 기체가 가장 높고(기체 분자가 가장 무질서하므로), 고체가 가장 낮다(고체 분자는 매우 질서정연하므로). 즉, 기체가 액체에 용해될 땐 엔트로피가 감소하고, 고체가 액체에 용해될 땐 엔트로피가 증가하게 된다.


용질이 용매에 용해가 되기 위해선 용해 현상의 자유에너지 변화 값인 ΔG용해 값이 음의 값이 되어야 하는데, 이 ΔG용해 값은 용해 엔탈피 변화값 ΔH용해 과 용해 엔트로피 변화값 ΔS용해, 온도 T에 따라 달라진다.


여기서 자유에너지란 물리 화학적 변화 과정의 방향을 알려주는 값으로 절댓값은 알 수 없다. 자유에너지가 음의 값을 가지면 그 현상은 자발적으로 (자연적으로) 일어나는 현상이고, 양의 값을 가지면 그 현상은 자연적으로 발생하는 과정이 아니며, 그 현상을 발생시키기 위해선 에너지가 필요함을 의미한다.


ΔG용해=ΔH용해-TΔS용해

ΔG용해<0 인 경우 용질이 용매에 용해됨.

ΔG용해>0 인 경우 용질이 용매에 용해되지 않음. (용해가 일어나기 위해선 에너지가 필요함)


이 경우는 아래 4가지 경우로 나눌 수 있다.



① 용해 과정이 발열 반응이면서 엔트로피 변화값이 증가하는 경우 (ΔH용해<0, 고체→액체 혹은 액체→기체)

- 용해 엔탈피 변화값은 - 이고, 용해 엔트로피 변화값은 + 이므로, 용해 자유 에너지 변화 값이 -가 되어 용해가 이루어진다. 즉, ΔH용해<0, ΔS용해>0 일 땐, ΔG용해<0 이므로 용해가 이루어진다. 따라서 이 경우엔 온도가 높을수록 용해도가 증가한다.


② 용해 과정이 발열 반응이면서 엔트로피 변화값이 감소하는 경우 (ΔH용해<0, 기체→액체 혹은 액체→고체)

- 용해 엔탈피 변화값은 - 이고, 용해 엔트로피 변화값 또한 - 이므로, 용해 엔탈피 변화 값의 절댓값이 용해 엔트로피 변화 값의 절댓값 보다 클 경우에만 용해 자유 에너지 변화 값이 - 값이 되므로 용해가 이루어진다. 즉, ΔH용해<0, ΔS용해<0 일 땐, IΔH용해I > ITΔS용해I 일 때에만 ΔG용해<0 이므로 용해가 이루어진다. 따라서 이 경우엔 온도가 낮을수록 용해도가 증가한다. 


③ 용해 과정이 흡열 반응이면서 엔트로피 변화값이 증가하는 경우 (ΔH용해>0, 고체→액체 혹은 액체→기체)

- 용해 엔탈피 변화값은 + 이고, 용해 엔트로피 변화값 또한 + 이므로, 용해 엔탈피 변화 값의 절댓값이 용해 엔트로피 변화 값의 절댓값 보다 작거나 혹은 온도를 올려 TΔS용해 값을 용해 엔탈피 변화값의 절댓값 보다 크게 할 경우 용해 자유 에너지 변화값이 - 값이 되므로 용해가 이루어진다. 

즉, ΔH용해>0 일 땐, IΔH용해I < IΔS용해I 혹은 온도 T 값을 올려 IΔH용해I < ITΔS용해I 일 때에만 ΔG용해<0 이므로 용해가 이루어진다. 따라서 이 경우엔 엔트로피 변화 절댓값이 용해 엔탈피 변화 절댓값보다 크거나 온도가 높을수록 용해도가 증가한다.


④ 용해 과정이 흡열 반응이면서 엔트로피 변화값이 감소하는 경우 (ΔH용해>0, 기체→액체 혹은 액체→고체)

- 용해 엔탈피 변화값은 + 이고, 용해 엔트로피 변화값은 - 이므로, 용해 자유 에너지 변화값이 항상 + 가 되어 용해될 수 없다. 즉, ΔH용해>0, ΔS용해<0일 땐, 항상 ΔG용해>0 이므로 이 경우엔 용해될 수 없다.


정리하면, 고체가 액체에 용해될 땐(엔트로피 증가, 대부분 흡열 반응) 온도가 높을 수록 용해도가 증가하고, 기체가 액체에 용해될 땐(엔트로피 감소, 대부분 발열 반응) 온도가 낮아질 수록 용해도가 증가한다.



1.1.2. 확산

확산은 간단히 이야기한다면 높은 농도에서 낮은 농도로 분자가 이동하는 현상을 뜻 한다. 이러한 확산은 커피 추출에서 중요한 요소 중 하나이다. 


앞에서 이야기 한 내용처럼 용질 분자가 용매 분자와 결합하는 현상을 용해라고 한다. 여기서 용해는 용질 분자와 용매 분자가 접해 있는 경계면에서 일어나게 된다. 그리고 용매 분자에 결합된 용질 분자는 경계면을 떠나 용매 전체로 퍼져 나가게 되는데 이렇게 퍼져 나가는 현상이 바로 확산에 의한 현상이다.


이러한 현상이 생기는 이유는 용질 분자와 용매 분자 사이의 경계면에서 용질 분자가 용매 분자로 용해되면 경계면에서 용해된 용질 분자의 농도가 높아지게 되지만, 경계면 주변의 용질 분자 농도는 낮으므로 경계면에서 용해된 용질 분자는 주변으로 확산이 일어나게 된다.


이러한 확산은 아래의 픽의 확산 법칙으로 계산할 수 있다.

여기서 V는 분자의 평균 속도(mean molecular velocity), λ는 분자의 평균 자유 행정(mean free path), dC/dl은 농도의 기울기를 의미한다. 


또한, 분자의 평균 속도는



이고, 분자의 평균 자유 행정은


이므로, 픽의 확산 법칙은

으로 나타낼 수 있다.


이는 곧, 물질이 확산되는 정도는 농도 차이가 클 때, 온도가 높을 때, 압력이 낮을 때, 밀도가 낮을 때, 점성이 낮을 때, 분자의 크기가 작을 때 커진다는 것을 의미한다. 또한, 경계면에서의 농도 차이는 물질의 용해도가 높을 수록 커지게 되므로 용질, 용매간 용해도가 높을 경우에도 확산되는 정도가 커진다.


1.2. 온도

온도란 어떤 물체의 차가움, 뜨거움의 정도를 수치로 나타낸 값이다. 우리가 주로 사용하는 온도 단위인 섭씨의 경우엔 물의 어는점과 끓는 점의 사이를 100등분한 단위이다.


온도를 더 자세히 설명하면 온도란 물체가 갖고 있는 열에너지를 의미한다. 여기서 열에너지란 물체 내 분자의 운동 에너지의 평균값이며, 분자의 운동 에너지란 분자의 병진운동, 진동운동, 회전운동으로 인해 생성된 에너지를 의미한다.

즉, 온도계에 표시되는 온도는 온도계에 부딪힌 분자의 운동 에너지 값을 나타낸다고 할 수 있다.



열에너지에 의한 α-나선형 펩티드 분자의 운동. 온도가 높을 수록 분자가 더욱 활발하게 움직여 운동 에너지가 증가한다. (출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Equipartition_theorem )


다시 말해, 온도가 높다는 것은 열에너지가 높다는 것이고, 이는 곧 분자의 운동 에너지가 높다는 의미이며, 더 많은 일을 할 수 있다는 것을 뜻 한다. 이는 추출수 온도가 높을 수록 물 분자가 갖는 운동 에너지가 더 높아져 커피 성분의 용해와 확산을 더욱 쉽게 할 수 있음을 나타낸다.



1.3. 온도에 따른 커피 성분의 추출

커피 원두 내에는 굉장히 많은 종류의 물질이 갇혀있다. 커피 추출은 이렇게 많은 종류의 물질들을 물을 이용하여 추출해 내는 것이다. 하지만, 각각의 물질들은 용해도가 모두 다르며, 이로 인해 모든 물질들이 같은 비율로 추출되지 않는다. 따라서 같은 원두를 사용하여 추출하더라도 어떻게 추출하느냐에 따라 추출되는 물질의 양이 달라지고, 결국 완전히 다른 느낌의 커피가 만들어지게 된다.


커피 추출에서 각 물질이 추출되는 양은 각각의 물질들의 용해도와 큰 상관관계가 있다. 물질의 용해도가 클 수록 용해 속도는 당연히 비례하여 증가하고, 확산 속도 또한 용해도가 높은 물질일 수록 경계면에서의 농도차가 커지므로 용해도에 비례하여 증가하게 된다. 즉, 커피 추출에서 용해도가 큰 물질의 경우 커피 내에 상대적으로 더 많은 양의 물질이 녹아있고, 용해도가 낮은 물질의 경우 커피 내에 상대적으로 더 적은 양의 물질이 녹아있게 된다.



20℃ 물 1L에 대한 카페인, CQA, 트리고넬린, 구연산, 수크로스의 용해도. Merck index, 12th ed., 1996.[5]


쓴맛과 떫은맛, 아린맛 등 좋지 않은 맛들은 대부분 비극성을 나타내며 용해도가 상대적으로 낮은 것으로 알려져 있다. 이와 반대로 신맛과 단맛을 내는 성분들은 대부분 극성을 나타내며 용해도가 상대적으로 높은 것으로 알려져 있다. 


비극성 분자는 극성 분자와 다르게 고온에서는 급격하게 용해도가 증가하는 모습을 볼 수 있다. 이는 비극성 분자의 용해 방식에 의한 결과이다.


비극성 분자는 극성 분자인 물에 용해될 때 분산력에 큰 영향을 받게 된다. 


분자 내 전자는 한 위치에 고정되어 있지 않다. 분자 내 전자를 이야기할 땐 특정 위치에 전자가 존재할 확률로써 이야기를 한다(전자구름). 그러므로, 특정 위치에 전자 분포가 높아질 수 있다. 이 때 순간적으로 쌍극자가 생기게 되고, 이로 인해 분자간 인력이 생기게 되는데 이 때 생긴 인력을 분산력이라 한다.


비극성 분자의 경우 이런 분산력에 의해 물 분자와 인력을 형성해 용해된다. 따라서 높은 온도에서는, 비극성 분자의 운동이 활발해지면서 이런 순간적 쌍극자가 생길 확률이 올라가게 되므로 용해도가 증가하게 된다.



비극성 분자인 카페인과 극성 분자인 시트르산의 온도에 따른 용해도. Merck index, 12th., 1996.[5]


위와 같은 이유로 추출수 온도가 높을 경우 좋지 않은 맛을 내는 비극성 성분들의 용해도가 급격히 증가한다. 하지만, 아무리 용해도가 급격히 증가하더라도 여전히 시트르산의 용해도보다 현저히 낮은 용해도를 갖는다. 이는 추출수 온도가 높아져 좋지 않은 맛을 내는 비극성 분자가 추출되더라도 신맛이나 단맛을 내는 성분보다 현저히 적은 양의 성분이 추출된다는 뜻이다. 그렇다면 왜 추출수 온도가 높을 때 쓴맛이나 떫은맛, 아린맛 같은 좋지 않은 맛이 강하게 느껴지는 걸까? 이는 맛에 따라 사람이 느끼는 미각의 역치가 다르기 때문이다.


아래 표는 맛에 따른 미각의 역치 농도를 나타낸 표이다.[6]






위 표를 보면 알 수 있듯이 쓴맛의 경우 신맛과 단맛에 비해 역치 농도가 굉장히 낮은 것을 볼 수 있다. 즉, 쓴맛을 내는 성분은 커피에 소량 녹아있더라도 역치값이 낮기 때문에 강하게 느끼게 된다.


대개 추출에 적합한 추출수 온도를 91~94℃로 정의한다.[4][7] 아래는 추출수 온도에 따른 에스프레소 물리량 변화와 휘발성 유기 화합물의 변화를 나타낸 표이다.[7]




아라비카 원두를 이용한 결과를 보면, 온도가 상승함에 따라 커피 내 고형 성분의 양과 지질, 카페인, 트리고넬린의 함량이 증가하는 양상을 볼 수 있다. 하지만 클로로겐산은 92℃에서 가장 높고 이후 점차 감소하는 양상을 보인다. 카페인, 트리고넬린, 클로로겐산은 쓴맛을 내는 성분으로 알려져 있다.[8]






온도에 따른 휘발성 유기 화합물의 변화를 보면, 92℃에서 가장 높게 측정된 성분은 Acetaldehyde, Propanal, 2-Methylpropanal, 3-Methylbutanal, 2,3-Butanedione, 2,3-Pentanedione으로 각각 fruity, malty, buttery한 향을 내는 성분들이다.[9][10[11] 88℃의 경우 2,3-Butanedione, Hexanal을 제외한 나머지 모든 성분에서 양이 가장 적게 측정되었다.



2. 재료 및 방법

2.1. 재료

2.1.1. 블랙수트


생두는 브라질 Mogiana 지역의 Sao Sebastiao da Grama 마을에 있는 농장 Fazenda Cachoeira da Grama에서 Natural 가공된 Bourbon 품종과 콜롬비아 El Verge, Antioquia 지역의 농장 Finca La Camelia에서 Washed 가공된 Caturra 품종, 에티오피아 Oromia, Guji 지역의 Guji Jigesa 워싱스테이션에서 Washed 가공된 토착종을 블렌딩하여 사용하였다. (블렌딩 비율: 브라질 55%, 콜롬비아 25%, 에티오피아 20%) 로스팅은 로링 KESTREL 35kg 모델을 이용하여 진행하였다. 로스팅은 내부 온도 229.9℃에 생두를 투입하여, 11분 47초간 로스팅을 진행하였으며, 내부 온도 227.2℃에 배출하였다. (유기물 손실률: 6.86%, 색도: 홀빈 69.04, 분쇄 68.32 (Colortrack Benchtop, Colortrack))







2.1.2. 벨벳화이트

생두는 에티오피아 Uraga wereda, Oromia region 지역의 Wolichu Wachu 워싱스테이션에서 Washed 가공된 토착종과 에티오피아 Kochere, Yirgacheffe 지역의 Kochere Debo 워싱 스테이션에서 Washed 가공된 토착종을 블렌딩하여 사용하였다. (블렌딩 비율: 월리추 와추 35%, 데보 65%) 로스팅은 로링 KESTREL 35kg 모델을 이용하여 진행하였다. 로스팅은 내부 온도 226.7℃에 생두를 투입하여, 10분 8초간 로스팅을 진행하였으며, 내부 온도 211.7℃에 배출하였다. (유기물 손실률: 4.201%, 색도: 홀빈 58.28 (Colortrack Benchtop, Colortrack))







2.1.3. 케냐 가쿠이 AA 

생두는 케냐 Embu country의 Central province 지역에 있는 Ngandori East Sub-location과 Kamviu Location에서 재배되어 Gakui 워싱스테이션에서 Washed 가공된 SL28, SL34, Ruiru 11 & Batian 품종의 생두를 사용하였다. 로스팅은 로링 KESTREL 35kg 모델을 이용하여 진행하였다. 로스팅은 내부 온도 200.3℃에 생두를 투입하여, 8분 42초간 로스팅을 진행하였으며, 내부 온도 208.3℃에 배출하였다. (유기물 손실률: 4%, 색도: 홀빈 62.75, 분쇄 58.48 (Colortrack Benchtop, Colortrack))



12. 케냐 가쿠이 프로파일.jpg





2.2. 추출수 온도 측정




추출수 온도의 측정은 Espresso Parts의 SCACE2를 이용하여 실제 추출과 동일한 조건에서 그룹헤드에서 추출되는 추출수 온도를 측정하였다. 온도계는 Testo의 testo926 (T타입 오차: ±0.3℃, 분해능: 0.1℃) 모델을, 온도프로브는 Testo의 0628 0027(T타입, 오차: ±0.2℃, t99: 2초) 모델을 이용하였다. 



2.3. 에스프레소 추출

원두 분쇄는 메져 로버(Robur, Mazzer, Italy) 그라인더를 사용하였고, 에스프레소 추출은 라마르조코 GB5(GB5, La Marzocco, Italy) 에스프레소 머신을 사용하였다. 에스프레소 추출은 0.1g 단위의 전자저울 (WZ-3A, CAS, South Korea)에 원두 20.0g 을 계량하여 포터필터에 투입하고, 에스프레소 머신의 투입 물양은 70g 으로 세팅하여 에스프레소가 약 38g±1.0g 이내로 추출되도록 하였다. 이 때 추출시간이 34~38초가 되도록 그라인더의 분쇄도를 조절하여 추출하였다.


추출에 사용한 탬퍼는 지름 58.4mm의 탬퍼를 사용하였으며, 탬핑으로 인한 변수를 통제하기 위해 자동탬핑기(Mano, Tamping Master, South Korea)를 이용하였다.



2.4. TDS 측정

준비된 시료의 TDS 측정은 VST Inc. 의 Coffee Refractometer를 사용하였다. 측정 TDS는 커피퍽이 머금고 있는 추출수의 양은 일정하다는 가정하에 절댓값이 아닌 비교를 위한 상대적인 값으로 측정하였다.


측정을 하기 전, 정제수를 이용하여 측정기의 영점을 잡았으며, 시료와 측정장비의 온도가 같아질 수 있도록 장비와 시료를 같은 장소에 30분 이상 두었다. 시료를 측정하기 전에는 매 측정마다 알콜스왑을 이용하여 렌즈를 한번 닦아내고, 유한킴벌리의 킴테크 사이언스 와이퍼를 이용하여 렌즈 위 먼지를 제거하였다.


시료 채취는 일회용 스포이드를 이용하여 시료를 완전히 섞어준 후 표면으로부터 스포이드를 약 4cm 아래까지 넣은 후 채취하였다. 이 후 측정기에 크레마가 들어가지 않도록 스포이드에 묻어 있는 크레마를 닦아낸 후 측정기에 시료를 약 0.5g 넣어 측정하였다. 측정은 시료당 5번씩 측정하였으며, 한번 사용한 일회용 스포이드는 재사용하지 않았다.



2.5. 크레마 비율 측정

크레마 비율은 1ml 단위의 눈금 표시가 되어 있는 메스실린더를 이용하여 측정하였다. 크레마는 추출 직후엔 에스프레소와 섞여있어 크레마의 부피만을 따로 측정하기엔 어려움이 있다. 이러한 이유로 에스프레소를 메스실린더에 바로 추출하고, 추출이 끝난 직후 바로 부피를 측정하였다. 이 후 저울을 이용하여 에스프레소의 질량을 측정하고, 에스프레소 전체 부피에서 에스프레소의 무게를 뺀 값을 크레마의 부피로 정하였다. 이 때, 에스프레소는 약 90%가 물이므로 에스프레소의 밀도를 약 1g/㎤라고 가정하였고, 크레마의 무게는 0g으로 가정하였다. 



2.6. 휘발성 유기 화합물 분석

추출수 온도를 83℃, 93℃, 100℃로 설정한 후 추출한 에스프레소의 휘발성 유기 화합물 성분 변화를 분석하였다. 각 추출수 온도 별로 에스프레소를 추출하고 추출 직후 바로 headspace 바이알병에 넣은 후 뚜껑으로 밀봉하여 GC/MS 분석을 진행하였다.

SPME fiber(57284-U, Supelco, Bellefonte, PA, USA)는 divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane(DVB/CAR/PDMS) 50/30㎛로 혼합 코팅된 triple phase fiber를 사용하였다. Fiber에 기체 성분을 흡착시키기 전에 시료가 담긴 바이알병을 교반기에 교반속도 500rpm, 60℃에서 4분간 두어 headspace를 형성시키고, 바이알병의 headspace에 fiber를 11mm 노출시켜 10분간 흡착하였다. 이 후 GC inlet의 온도를 260℃로 설정한 후 needle을 32mm 노출시켜 10분간 탈착시켰으며, split ratio는 10:1로 분석하였다

GC/MS 분석은 Agilent 7890A(Agilent Technologies, Palo Alto,CA, USA)를 사용하여 3번 반복하였다. 분석에 사용한 column은 fused silica capillary column DB-WAX(60 m × 320 ㎛ × 0.5 ㎛ film thickness)를 사용하였다. GC 내 오븐은 40℃온도에서 5분간 유지한 후 240℃까지 4℃/min으로 승온하고 250℃에서 주입하였다. 운반기체는 helium을 이용하여 유속 1ml/min으로 주입하였다. MS detector는 Agilent 5977A를 사용하였고, scan mode range는 10~500m/z이다. GC/MS 결과값의 mass spectrum은 Wiley Library(Ver wiley11n.l 2011, Hoboken,NJ, USA)와 비교하여 RT값 및 이온 성질이 가장 비슷한 성분만을 추려내었다.



2.7. 관능평가

관능평가는 1차와 2차로 나누어 평가하였다. 1차 관능평가는 추출 직후 테이스팅을 진행하는 방법으로 진행하였고, 2차 관능평가는 추출이 모두 끝난 후 추출된 음료를 무작위로 섞고 테이스팅을 진행하는 블라인드 테이스팅 방법으로 진행되었다. 관능평가는 빈브라더스 내부에서 3년 이상 근무한 숙련된 바리스타들이 모여 진행하였다.



3. 결과 및 고찰

표 1. 블랙수트 원두를 이용하여 추출수 온도를 3℃씩 변화시키며 추출한 데이터 값. 추출수 온도는 83℃부터 101℃까지 각 5잔씩 추출한 후 평균값을 계산하였다. (이하 실험B3)


표 2. 블랙수트 원두를 이용하여 추출수 온도를 2℃씩 변화시키며 추출한 데이터 값. 추출수 온도는 83℃부터 99℃까지 각 5잔씩 추출한 후 평균값을 계산하였다. (이하 실험B2)


표 3. 블랙수트 원두를 이용하여 추출수 온도를 1℃씩 변화시키며 추출한 데이터 값. 추출수 온도는 89℃부터 97℃까지 각 5잔씩 추출한 후 평균값을 계산하였다. (이하 실험B1)


표 4. 벨벳화이트 원두를 이용하여 추출수 온도를 3℃씩 변화시키며 추출한 데이터 값. 추출수 온도는 83℃부터 101℃까지 각 5잔씩 추출한 후 평균값을 계산하였다. (이하 실험V3)



표 5. 벨벳화이트 원두를 이용하여 추출수 온도를 1℃씩 변화시키며 추출한 데이터 값. 추출수 온도는 86℃부터 95℃까지 각 5잔씩 추출한 후 평균값을 계산하였다. (이하 실험V1)


3.1. 분쇄도

그림 1은 원두 20.0g, 에스프레소 머신 투입 물 양 70g으로 고정하였을 때 추출시간이 36초(블랙수트), 32초(벨벳화이트)가 되도록 그라인더의 분쇄도를 조절했을 때의 분쇄도 값이다. 분쇄도 값은 그라인더 분쇄조절판 위에 표시된 값을 기준으로 표시했다.


그림 1. 추출시간을 빈브라더스 기준에 맞춰 분쇄도 값을 변경했을 때 추출수 온도에 따른 분쇄도 변화값을 나타낸 그래프.


실험B3(블랙수트 3℃ 변화 실험)의 경우 95℃를 기점으로, 실험V1(벨벳화이트 1℃ 변화 실험)의 경우 92℃를 기점으로 분쇄도가 가늘어지는 모습을 보였으며, 실험B1(블랙수트 1℃ 변화 실험)에서는 반대로 96℃를 기점으로 분쇄도가 굵어지는 모습을 보였다. 실험B2(블랙수트 2℃ 변화 실험)과 실험V3(벨벳화이트 3℃ 변화 실험)에서는 분쇄도에 변동이 없는 모습을 보였다.


분쇄도는 추출시간의 변화를 의미한다. 분쇄도가 가늘어졌다는 것은 전보다 추출시간이 짧아졌음을 뜻한다. 반대로 분쇄도가 굵어졌다는 것은 전보다 추출시간이 길어 졌음을 뜻한다.


하지만, 위 결과를 보았을 때 경우에 따라 분쇄도가 다르게 변화하는 모습을 볼 수 있었으며, 이는 추출수 온도는 분쇄도 변화와 상관관계가 없음을 의미한다.



3.2. 추출시간

그림 2. 추출수 온도에 따른 평균 추출시간 변화값을 나타낸 그래프.


실험B3에서 분쇄도는 95℃에서, 실험B1에서 분쇄도는 96℃에서 실험V1에서 분쇄도는 92℃에서 바뀌었다. 추출시간을 비교하기 위해 분쇄도가 변경되기 이전의 추출시간 변화만을 살펴보면, 실험B3과 실험V3, 실험V1의 경우 추출수 온도에 따라 추출시간이 감소하는 모습을 보였으며, 실험B2와 실험B1의 경우 추출수 온도에 따라 추출시간이 증가하는 모습을 보였다. 하지만, 모든 추출의 추출시간은 표준편차 값이 2초 이내로 추출시간 변동이 크지 않았다. (실험B3 SD값: 1.97, 실험B2 SD값: 1.83, 실험B1 SD값: 1.69, 실험V3 SD값: 1.17, 실험V1 SD값: 1.47)



3.3. 첫방울 시간

그림 3. 추출수 온도에 따른 스파웃에서 첫방울이 떨어지는 시간을 나타낸 그래프.


그림 4. 전체 추출시간 중 첫방울 시간이 차지하는 비율을 나타낸 그래프.


모든 실험에서 동일하게 추출수 온도가 증가함에 따라 첫방울이 떨어지는 시간 또한 길어지는 모습을 확인할 수 있다. 


위 "3.2. 추출시간"에서 보면 알 수 있듯이 전체 추출시간은 표준편차 2초 이내로 큰 차이가 없었다. 그에 반해 첫방울이 떨어지는 시간은 온도에 비례하여 증가하는 양상을 볼 수 있다.


이는 추출수 온도가 상승함에 따라 추출 초반 유속은 느리게 진행되다가 추출 후반에서는 유속이 점차 빨라짐을 의미한다. 이에 대해 호주 바리스타 허슬에서는 원두에서 방출되는 가스에 의한 것이라고 설명한다. (https://www.baristahustle.com/blog/temperatures-hidden-effect/)


Temperature’s Hidden Effect - Barista Hustle

Brewing temperature affects the flow rate of espresso in unexpected ways, thanks to dissolved gases. In our most recent instalment of the Advanced Espresso course, we discussed a surprising finding in the scientific literature: that increasing the brew temperature makes espresso shots run more slowl...

www.baristahustle.com



3.4. 추출양

그림 5. 추출수 온도에 따른 에스프레소 추출양 변화값 그래프.


실험V1을 제외한 실험B3, 실험B2, 실험B1, 실험V3의 경우 추출수 온도가 상승함에 따라 에스프레소 추출양은 감소하는 모습을 보였다. 특히 실험V3의 경우 변화 폭이 다른 실험에 비해 특히 큰 차이를 보였다. 그 외 다른 실험들의 경우 빈브라더스의 추출양 기준값인 표준편차 1.0 이내로 측정되었다. (실험B3 SD값: 0.46, 실험B2 SD값: 0.55, 실험B1 SD값: 0.51, 실험V3 SD값: 1.06, 실험V1 SD값: 0.43)



3.5. 크레마 비율

크레마 비율은 실험B2에서만 측정하였다. 


그림 6. 추출수 온도에 따른 크레마 비율 그래프.


크레마 비율의 경우 87에서 39.81%로 가장 높게 측정되었고, 95에서 31.11%로 가장 낮게 측정되었다. 또한, 83에서 95까지 크레마 비율이 점점 감소하는 양상을 볼 수 있었으며, 이 후 다시 크레마 비율이 증가하는 양상을 보였다.



3.6. TDS

TDS는 액체에 녹아 있는 총 용존 고형 성분의 양을 뜻한다. 커피에서의 TDS는 커피를 추출하기 위해 사용한 물에 녹아 있는 미네랄과 아메리카노를 만들기 위해 준비한 물의 미네랄, 그리고 원두로부터 추출된 커피성분을 나타낸다. 이번 실험에 사용한 물의 경도는 72ppm으로(인천시상수도사업본부, 2018, 원, 정수 수질검사 결과) 음료에 포함된 커피성분보다 약 100만분의 1 정도로 적은 양이 포함되어 있으므로 TDS 측정기로 측정된 값은 커피성분의 양이라고 봐도 무방하다.


그림 7은 추출된 에스프레소를 물 270.0g에 넣어 아메리카노로 만든 후 측정한 TDS 값의 평균을 나타낸다. 



그림 7. 추출수 온도에 따른 아메리카노 TDS 변화값 그래프.



실험B3과 실험B2, 실험B1을 보면 추출수 온도가 상승함에 따라 TDS 값은 97까지 증가하고 이 후 다시 감소하는 모습을 볼 수 있다. 실험 V3과 실험V1 또한 각각 92, 94 까지는 온도가 상승함에 따라 TDS 값이 증가하고 이 후 다시 감소하는 모습을 보인다.


이를 통해 추출수 온도가 상승함에 따라 TDS 값 또한 증가하지만 추출수 온도가 일정 온도 이상이 되면 오히려 TDS 값이 떨어짐을 알 수 있다. 이 때 TDS 값이 감소하는 임계 온도 값은 로스팅 된 원두의 성질에 따라 달라지는 것으로 보인다.



3.7. 관능평가


그림 8. 실험B3에서 추출수 온도에 따른 관능평가 결과. 1차 관능평가는 추출 직후 바로 테이스팅 했을 때의 결과를 나타내고, 2차 관능평가는 모든 추출이 끝난 후 컵을 섞어 블라인드로 테이스팅 했을 때의 결과를 나타낸다.




그림 9. 실험B2에서 추출수 온도에 따른 관능평가 결과. 실험B2에서는 물리량 측정을 위해 추출한 커피를 사용하지 않고 관능평가를 위해 추출을 다시 한 후 컵을 섞어 블라인드 테이스팅을 진행하였다. 이 때 추출수 온도 변화 폭을 2로 설정하지 않고 5로 설정하여 최대한 빠르게 추출을 끝마쳤다. (완성된 모든 커피의 온도를 최대한 비슷하게 맞추기 위해)




그림 10. 실험B1에서 추출수 온도에 따른 관능평가 결과. 1차 관능평가는 추출 직후 바로 테이스팅 했을 때의 결과를 나타내고, 2차 관능평가는 모든 추출이 끝난 후 컵을 섞어 블라인드로 테이스팅 했을 때의 결과를 나타낸다.




그림 11. 실험V3에서 추출수 온도에 따른 관능평가 결과. 1차 관능평가는 추출 직후 바로 테이스팅 했을 때의 결과를 나타내고, 2차 관능평가는 모든 추출이 끝난 후 컵을 섞어 블라인드로 테이스팅 했을 때의 결과를 나타낸다.



그림 12. 실험V1에서 추출수 온도에 따른 관능평가 결과. 1차 관능평가는 추출 직후 바로 테이스팅 했을 때의 결과를 나타내고, 2차 관능평가는 모든 추출이 끝난 후 컵을 섞어 블라인드로 테이스팅 했을 때의 결과를 나타낸다.


블랙수트 원두로 실험을 진행한 실험B3, 실험B2, 실험B1의 결과를 먼저 보면, 음료 추출 직후 테이스팅을 진행한 1차 관능평가의 경우 실험B3은 86, 89에서 득표수가 가장 많았고, 실험B1은 93에서 득표수가 가장 많았다. 추출된 음료를 모두 섞어 블라인드 테이스팅으로 진행한 2차 관능평가의 경우 실험B3은 89에서 득표수가 가장 많았고, 실험B2는 83에서, 실험B1은 90에서 득표수가 가장 많았다.


블랙수트의 관능평가 득표수를 보면 추출수 온도에 따른 유의미한 경향성을 보이진 않았다. 하지만, 테이스팅을 진행한 바리스타들 모두 공통적으로 95 이상부터 쓴맛이 느껴지고, 촉감이 거칠어 진다고 느꼈다.


벨벳화이트 원두로 실험을 진행한 실험V3, 실험V1의 결과를 보면, 1차 관능평가의 경우 실험V3에서는 86, 92에서 득표수가 가장 많았고, 실험V1에서는 89에서 득표수가 가장 많았다.2차 관능평가의 경우 실험V3에서는 89에서 득표수가 가장 많았고, 실험V1에서는 86, 91, 94, 95에서 득표수가 가장 많았다.


벨벳화이트 또한 블랙수트와 마찬가지로 관능평가 득표수에서 유의미한 경향성을 보이진 않았다. 하지만 테이스팅을 진행한 바리스타들 모두 92 부터 향의 톤이 시트러스 계열에서 몰티 계열로 어두워졌다고 느꼈으며, 95 부터는 쓴 맛이 느껴진다고 하였다. 



3.8. 휘발성 유기 화합물 분석

표 6. 검출된 성분들 중 측정값과 라이브러리 데이터 간 퀄리티 값이 90% 이상인 성분만 비교 분석을 위해 추려내었다. 


그림 8. 케냐 가쿠이 AA 원두를 이용하여 추출수 온도 83, 93, 100로 추출한 에스프레소의 휘발성 유기 화합물을 GC/MS 장비를 이용하여 측정한 결과값. 


그림 9. 케냐 가쿠이 AA 원두를 이용하여 추출수 온도 83, 93, 100로 추출한 에스프레소의 휘발성 유기 화합물을 GC/MS 장비를 이용하여 측정한 결과값. Furfuryl alcohol을 제외한 나머지 성분을 확대한 그래프.



추출수 온도를 83, 93, 100 로 설정한 후 추출한 에스프레소를 GC/MS로 분석하여 약 25개의 성분이 검출되었다. 이 중 비교 분석에 활용한 성분은 측정값과 라이브러리 데이터 간 퀄리티 값이 90% 이상인 성분만을 추려내어 비교 분석하였다.


성분 변화의 비교는 각 성분의 peak area% 값을 이용하여 비교하였다. peak area%는 각 성분의 peak area를 total peak area로 나눈 값이다. 


이번 실험은 각 성분들의 정확한 양의 변화를 확인해야 하는 실험이 아니고 상대적인 양의 증감량만 확인되어도 결과를 도출하는데 큰 무리가 없으므로 peak area% 값을 비교하는 방법으로 실험을 진행하였다. 각 성분들의 odor 및 flavor 데이터는 TGSC의 데이터 베이스를 활용하였다. 


측정된 성분 중 가장 많은 peak area%를 차지하는 성분은 카라멜과 커피향을 내는 furfuryl alcohol 성분이었다. 그림 9에서는 furfuryl alcohol 성분의 peak area% 값이 너무 커 다른 성분들의 peak area%를 비교하여 보기 어려워 furfuryl alcohol 성분을 제외한 나머지 성분들만 그래프에 표시하였다.


추출수 온도가 증가함에 따라 모든 성분들이 같은 양상으로 증가하거나 감소하지 않았다. 추출수 온도가 상승함에 따라 어떤 성분은 감소하였고, 어떤 성분은 증가하는 모습을 보였다. 또 어떤 성분은 증가하다가 감소하는 성분도 있었다. 


측정된 성분들 중 추출수 온도가 증가함에 따라 peak area% 값이 증가하는 성분은 Furfural Acetate와 5-Methylfurfural 성분으로 공통적으로 구운향과 탄향을 나타내는 성분들이다. 이는 관능평가에서 추출수 온도가 높을 때 쓴맛과 더불어 좋지 않은 탄 향이 느껴진다는 의견과 일치하는 결과였다



4. 요약 및 결론

이번 실험은 추출수 온도가 달라짐에 따라 커피 추출 결과물에 어떠한 변화가 있는지, 나아가 추출에 가장 적합한 추출수 온도는 몇 인지를 확인하고자 하였다.


추출수 온도에 따른 추출시간 변화에서는 유의미한 경향성을 찾지 못 했다. 하지만, 추출수 온도가 증가함에 따라 첫방울이 떨어지는 시간이 증가하는 양상을 보였다. 추출수 온도가 증가할 수록 전체 추출시간은 변화가 없지만 첫방울이 떨어지는 시간이 증가했다는 것은 추출수 온도가 높을 경우 초반 유속은 느려지고 후반 유속은 빨라진다는 것을 의미한다.


에스프레소 추출양은 추출수 온도가 증가함에 따라 감소하는 추세를 보였지만, 표준편차 값 1.0g 이내로 빈브라더스 추출양 기준 내에서의 감소폭을 보였다.


크레마의 비율은 95를 기준으로 추출수 온도가 증가함에 따라 점점 감소하다가 다시 증가하는 양상을 보였다. 또한, 추출수 온도가 낮을 경우 크레마의 색상이 밝은 노란색을 띄었으며, 온도가 높을 경우엔 크레마의 거품 크기가 크고, 색상 또한 진한 적갈색을 띄었다. 즉, 크레마의 상태를 보면 현재 추출수 온도를 어느정도 파악할 수 있다고 생각된다.


TDS 값은 추출수 온도가 증가함에 따라 증가하지만 일정 온도에 다다르면 TDS 값이 감소하는 양상을 보였다. 이 때, TDS 값이 감소하기 시작하는 임계 온도는 원두의 특성에 따라 다른 것으로 보여진다. 이는 추출수 온도가 증가하게 되면 물 분자가 갖는 에너지가 높으므로 성분을 더 쉽게 용해시키지만, 임계 온도에 도달하면 분자의 운동이 오히려 추출을 방해하는 요소가 될 수 있다고 생각된다.


관능평가에서는 추출수 온도와 득표수 간 특별한 경향성을 보이지 않았지만, 블랙수트와 벨벳화이트 모두 95 부터 쓴맛과 떫은맛 등 부정적인 맛과 향이 느껴졌다. 이는 쓴맛과 떫은맛을 내는 성분들의 용해도와 상관관계가 있다. 또한 GC/MS를 이용한 향미 성분 분석을 통해 확인한 것처럼 추출수 온도가 증가할 수록 Furfural Acetate와 5-Methylfurfural 이 증가하여 관능평가에서 부정적인 향이 느껴지게 된다.


빈브라더스에서 사용하는 원두는 모두 스페셜티 원두를 사용하고 있다. 또한 우리는 스페셜티 원두는 부정적인 맛과 향이 느껴지지 않는 선에서 최대한 많은 성분을 뽑아 내야 한다고 생각한다. 이러한 빈브라더스의 생각과 위 실험 결과들을 종합했을 때, 추출에 가장 적합한 추출수 온도는 쓴맛이 나지 않으면서 가장 많은 성분을 추출해 낼 수 있는 온도인 93℃~94℃라고 판단된다.




5. 참고문헌

[1] Dr. Samo Smrke, Emma Sage, Dr. Marco Wellinger, Prof. Dr. Chahan Yeretzian, <<The Coffee Freshness Handbook>>, Specialty Coffee Association, 2018

[2] Andueza S, Pena MP, Cid C. 2003. Chemical and sensorial characteristics of espresso coffee as affected by grinding and torrefacto roast. J Agric Food Chem 51(24):7034-7039

[3] Andueza S, Maetzu L, Dean B, de Pena MP, Bello J, Cid C. 2002. Influence of water pressure on the final quality of Arabicaespresso coffee. Application of multivariate analysis. J Agric Food Chem 50(25): 7426-7431

[4] Illy, A., Viani, R., 2005. Espresso Coffee : The Science of Quality, vol. 2. Elsevier, Amsterdam.

[5] Folmer, B. 2016. The Craft and Science of Coffee; Elsevier Science.

[6] Kim. E, Barret., Susan M, Barman., Scott Boitano., Heddwen L, Brooks., 2012. Ganong's Review of Medical Physiology, 24th Ed.CHAPTER 11. Smell & Taste. McGraw-Hill Education.

[7] Andueza, S., Maeztu, L., Pascual, L., Ibanez, C., Paz de Pena, M., Cid, C., 2003. Influence of extraction temperature on the final quality of espresso coffee. Journal of the Science of Food and Agriculture 83, 240-248

[8] Frank, O., Zehentbauer, G., Hofmann, T., 2006. Bioresponse-guided decomposition of roast coffee beverage and identification of key bitter taste compounds. European Food Research and Technology 222, 492-508.

[9] Schenker, S., Heinemann, C., Huber, M., Pompizzi, R., Perren, R., Escher, F., 2002. Impact of roasting conditions on the formation of aroma compounds in coffee beans. Journal of Food Science 67 (1), 60-66.

[10] Semmelroch, P., Grosch, W., 1996. Studies on character impact odorants of coffee brews. Journal of Agricultural and Food Chemistry 44 (2), 537-543.

[11] Kerler, J., Poisson, L., 2011. Understanding coffee aroma for product development. New Food Magazine 14 (6), 39-43.




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댓글 9

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Olaf

2020-09-01 17:35  #1336681

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빈브라더스의 좋은 내용 항상 감사합니다 :)

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아놀드

2020-09-01 18:57  #1336729

B.STARTER

좋은 정보 감사합니다.

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썬카페

2020-09-01 21:16  #1336801

B.STARTER

잘 봤습니다

몇가지 질문과 덧글이 있어요 !

1. 휘발성 유기화합물 표와 본문글 '온도에 따른 휘발성 유기 화합물의 변화를 보면, 92℃에서 가장 높게 측정된 성분은 Acetaldehyde, Propanal, 2-Methylpropanal, 3-Methylbutanal, 2,3-Butanedione, 2,3-Pentanedione으로 각각 fruity, malty, buttery한 향을 내는 성분들이다.[9][10[11] 88℃의 경우 2,3-Butanedione, Hexanal을 제외한 나머지 모든 성분에서 양이 가장 적게 측정되었다. ' 에서, ' 88도의 경우 ... 가장 적게측정되었다'  문장이 잘 이해가 가지 않습니다 


2. 본문 ' 비극성 분자는 극성 분자와 다르게 고온에서는 급격하게 용해도가 증가하는 모습을 볼 수 있다. 이는 비극성 분자의 용해 방식에 의한 결과이다.'   에서 예로 카페인을 보여주셨는데 다른 비극성 분자도 비슷한 패턴을 보이나요 ?

지방산의 온도에 따른 추출 결과를 보면 카페인과는 다른 그래프가 관찰됩니다. [1]

[1] Solubility of Saturated Fatty Acids in Water at Elevated Temperatures 2002.

그래서 카페인 추출과 온도 그래프에 대한 설명을 비극성 분자라는 상위 카테고리보다는 카페인에 한정짓는게

더 정확하지 않아 생각해요. 다른 비극성을 찾아보려고 했는데, 대부분 극성 화합물이여서 찾기가 좀 힘들었어요


3. 실험결과 3.3의 첫방울 시간의 차이점에 대한 결과로 허슬의 예를 들어주셨는데, nasko panov가 관련된 내용의 반박글을 올렸어요 https://www.npcoffeescience.com/post/temperature-s-not-so-hidden-effect 

Contrary Hypothesis How Brewing Temperature is Affecting Flow Rate of Espresso. ...


 

4. 실험 3.8의 본문 '측정된 성분들 중 추출수 온도가 증가함에 따라 peak area% 값이 증가하는 성분은 Furfural Acetate와 5-Methylfurfural 성분으로 공통적으로 구운향과 탄향을 나타내는 성분들이다 '  이어서 요약및 결론에서 

' 또한 GC/MS를 이용한 향미 성분 분석을 통해 확인한 것처럼 추출수 온도가 증가할 수록 Furfural Acetate와 5-Methylfurfural 이 증가하여 관능평가에서 부정적인 향이 느껴지게 된다. ' 라고하셨는데,

Furfural Acetate의 경우 바나나같은 향미와 프루티하다고 언급되어 있는 경우도 있던데, [2]

그렇다면 추출 온도가 높아짐에 따라 증가하는 부정적인 향미의 결과에 Furfural Acetate이 정말 부정적인 영향을

끼쳤는지 확실하진 않은 것 같습니다.

[2] Differentiation of Volatile Profiles and Odor Activity Values of Turkish Coffee and French Press Coffee


멋진 실험과 공유 정말 감사하고 잘 봤습니다 !





 


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빈브라더스

2020-09-03 21:20  #1338442

@썬카페님
안녕하세요, 빈브라더스 입니다.
먼저 이렇게 긴 내용임에도 관심있게 읽어 주시고 질문과 의견까지 공유해 주셔서 감사 인사 드립니다.

올려주신 4가지 질문에 대한 답변과 의견을 남겨드립니다.


1. 휘발성 유기화합물 표와 본문글 '온도에 따른 휘발성 유기 화합물의 변화를 보면, 92℃에서 가장 높게 측정된 성분은 Acetaldehyde, Propanal, 2-Methylpropanal, 3-Methylbutanal, 2,3-Butanedione, 2,3-Pentanedione으로 각각 fruity, malty, buttery한 향을 내는 성분들이다.[9][10[11] 88℃의 경우 2,3-Butanedione, Hexanal을 제외한 나머지 모든 성분에서 양이 가장 적게 측정되었다. ' 에서, ' 88도의 경우 ... 가장 적게측정되었다'  문장이 잘 이해가 가지 않습니다 

=> 질문주신 문장은 문장 바로 위에 있는 표를 풀어서 쓴 것입니다! 92℃와 88℃ 두 온도에 대한 이야기만 적어서 이해가 어려웠던 것 같습니다.




2. 본문 ' 비극성 분자는 극성 분자와 다르게 고온에서는 급격하게 용해도가 증가하는 모습을 볼 수 있다. 이는 비극성 분자의 용해 방식에 의한 결과이다.'   에서 예로 카페인을 보여주셨는데 다른 비극성 분자도 비슷한 패턴을 보이나요 ?

지방산의 온도에 따른 추출 결과를 보면 카페인과는 다른 그래프가 관찰됩니다. [1]

[1] Solubility of Saturated Fatty Acids in Water at Elevated Temperatures 2002.

그래서 카페인 추출과 온도 그래프에 대한 설명을 비극성 분자라는 상위 카테고리보다는 카페인에 한정짓는게

더 정확하지 않아 생각해요. 다른 비극성을 찾아보려고 했는데, 대부분 극성 화합물이여서 찾기가 좀 힘들었어요


=>아시다시피 물질의 용해도는 굉장히 다양한 변수에 영향을 받습니다. 극성, 비극성 뿐만 아니라 친수성인지 소수성인지, 분자 구조는 어떻게 이루어져 있는지, 분자 결합의 세기는 어떤지 등. 

본문에서 카페인의 온도에 따른 용해도 상승과 비극성 분자의 용해를 분산력 만으로 설명을 했는데 달아주신 댓글을 보고 설명이 맞지 않다는 것을 느꼈습니다.

사실 카페인의 분자 구조를 보면 케톤기와 벤젠고리, 메틸기를 갖고 있고, 분자가 대칭을 이루고 있지 않으므로 약한 극성을 띄지만 친수성인 케톤기보다 소수성인 벤젠고리와 메틸기가 더 많아 결과적으로 소수성을 띄어 물에 쉽게 녹지 않습니다. (케톤기를 갖고 있으므로 소량 녹을 수 있습니다.)

그러므로 카페인의 용해는 분산력으로 설명하기 보다 카페인 내 존재하는 케톤기가 물분자와 만나 수소결합을 이루는 것으로 설명하는 것이 더 정확한 설명이라고 생각됩니다.




3. 실험결과 3.3의 첫방울 시간의 차이점에 대한 결과로 허슬의 예를 들어주셨는데, nasko panov가 관련된 내용의 반박글을 올렸어요 https://www.npcoffeescience.com/post/temperature-s-not-so-hidden-effect 


=> 올려주신 내용 읽어 보았습니다. 저 또한 위 내용이 허슬에서 이야기 한 내용보다 더 타당하다고 생각됩니다. 좋은 정보 공유해 주셔서 감사합니다!




4. 실험 3.8의 본문 '측정된 성분들 중 추출수 온도가 증가함에 따라 peak area% 값이 증가하는 성분은 Furfural Acetate와 5-Methylfurfural 성분으로 공통적으로 구운향과 탄향을 나타내는 성분들이다 '  이어서 요약및 결론에서 

' 또한 GC/MS를 이용한 향미 성분 분석을 통해 확인한 것처럼 추출수 온도가 증가할 수록 Furfural Acetate와 5-Methylfurfural 이 증가하여 관능평가에서 부정적인 향이 느껴지게 된다. ' 라고하셨는데,

Furfural Acetate의 경우 바나나같은 향미와 프루티하다고 언급되어 있는 경우도 있던데, [2]

그렇다면 추출 온도가 높아짐에 따라 증가하는 부정적인 향미의 결과에 Furfural Acetate이 정말 부정적인 영향을

끼쳤는지 확실하진 않은 것 같습니다.

[2] Differentiation of Volatile Profiles and Odor Activity Values of Turkish Coffee and French Press Coffee


=> 휘발성 화합물은 그 성분의 농도에 따라 향이 다르게 느껴집니다. 예를 들어 인돌산의 경우 농도가 낮을 경우 꽃향이 느껴지지만 높은 농도에서는 인분취가 느껴집니다.

furfural acetate는 이야기 해주신 것 처럼 로스트 향 외에 프루티 향 또한 느껴지는 것이 맞습니다. 하지만 프루티 향은 furfural acetate의 농도가 100%일 때 느껴지는 향입니다. 커피 원두에는 대략 12,000ppm 포함되어 있다고 알려져 있습니다.(Luebke, William tgsc, 1996) (농도가 몇% 일 때 로스트향이 느껴지는지에 대한 내용은 찾을 수 없었습니다.)

실험 결과에서 furfural acetate를 로스트 향으로 이야기 한 것은 농도가 100%는 아니면서 커피안에 furfural acetate는 GC/MS결과 소량 포함되어 있는 것을 확인했고 높은 온도로 추출했을 때 점점 농도가 짙어지며 동시에 관능평가시에도 로스트 향이 강하게 느껴졌기 때문입니다!


profile

썬카페

2020-09-04 02:29  #1338646

@빈브라더스님

안녕하세요 !


1. 아, 이해했습니다. 가장 적게 측정되었다는 말씀이 언급하신 두 화합물을 제외하고 88도에서 양적으로 가장 적다는 말씀이시군요. 


2. 감사합니다. 제가 지적한 부분은, 카페인(상대적으로 소수성,비극성)의 온도에 따른 용해도 그래프를 올린 부분입니다.  

카페인의 용해도 곡선을 비극성으로 대변 하시면서 ' 비극성 분자는 극성 분자와 다르게 고온에서는 급격하게 용해도가 증가하는 모습을 볼 수 있다. 이는 비극성 분자의 용해 방식에 의한 결과이다' 라고 하셨죠.

그래서 저는 다른 비극성 분자들이 비슷한 패턴을 보이는지 궁금했고, 지방산을 예시로 들었던 거구요. 

하지만 그 그래프에서 온도에 따른 급격한 증가는 보이지 않았습니다.

그러니까, 저 온도에 따른 카페인의 용해 곡선은 비극성분자의 특징으로 대변될 것이 아니라 카페인만의 독특한 특징에 가깝지 않나 생각해서 말씀드린거에요

제가 글을 읽으면서 해석한 것으로는,

카페인은 비극성,시트르산은 극성 -> 카페인의 온도에 따른 용해도 곡선 -> 카페인 용해도 곡선은 고온에서 급격히 증가 -> 극성 분자인 시트르산은 선형증가. -> 카페인은 비극성이므로, 두 그래프는 극성과 비극성의 차이->  온도에 따라 비극성은 극성보다 더 급격한 용해도의 증가를 일으킴

그리고 내용이 이어지면서 ' 위와 같은 이유로 추출수 온도가 높을 경우 좋지 않은 맛을 내는 비극성 성분들의 용해도가 급격히 증가한다' 라고 하셨어요

비극성이던 극성 분자던 물에 용해될때 양적 차이는 발생하겠지만 온도에 따른 용해도는 증가하는게 일반적이죠. 하지만 비극성으로 분류되는 카페인의 온도에 따른 급격한 용해도 상승을 비극성 전체의 특징으로 대변하긴 어렵지 않나 싶은겁니다


3.  감사합니다.


4. 네 화합물 조합과 농도에 따라 달라질 수 있습니다. 

하지만 퍼퓨릴 에스테이트의 경우 말씀 하신 부정적인 향미에 기여했는지는 여전히 의문이 있습니다.


A. 브루잉 커피에서 이것은 약 1ppm, 1000㎍/Kg이 검출되었고, (원 댓글 논문)

권장 사용 수준은 2ppm-20ppm 혹은  역치값-0.5%로 나와있습니다. 

역치값은 100㎍/kg입니다. 

일단 커피에서 역치 값은 넘기에 향의 인지는 될 것 같고, 다른 문헌에서도 이것은 주요 케미컬로서 검출이 되기 때문에 향이 충분히 인지될 것 같습니다.

그리고 특별히 농도에 따른 향의 변화가 언급되어 있지 않고 권장 사용이 같이 나와있기 때문에

위의 사용량 범위 내에서도 충분히 프루티함,바나나같은 향을 가질 것 같아요. 

[http://search.bedoukian.com/flavorfragrance/ff_product.asp?method=POP&id=845#:~:text=Odor%20Description%3A,Fragrance%20Use%3A&text=Green%20notes%20for%20banana%20and%20other%20fruits.]

만약 로스트향이 있다면, 특정 값에서 로스트를 언급해줬지 않았을까 생각합니다.


B. 5-Methyl furfural 처럼 케미컬의 향미가 기본적으로 부정적인 경우

추출 온도에 따른 부정적인 향의 증가와 이 케미컬의 분자가 같이 증가했다면 

'부정적인 향미의 증가와 5-Methyl furfural의 증가가 관련이 있을 수 있다'

라고 표현 해도 충분히 받아드릴 수 있지만, 

퍼퓨릴 에스테이트의 경우 딱히 부정적인 향의 표현이 없기 때문에, (로스트 향의 경우 커피에서 언급되어 있는 것을 저는 못 찾았습니다) 이 것의 증가가 정말로 부정적인 향미의 증가에 영향을 미쳤는지 불분명 한것 같습니다.


C. 프루티 향미는 '농도가 100%일 때 느껴진다'는 정확하지 않으며, 

왜냐면 향수의 경우 향을 이루는 오일은 소량이기 때문이죠.

퍼퓨릴 에스테이트의 프루티 향미는 거의 모든 자료에서 확인할 수 있으며,

로스트 향미는 정확한 자료가 없기 때문에

결과 해석에서 퍼퓨릴 에스테이트를 로스트 향미로 지정할 수 없고, 

추출 온도에 따른 이취의 증가가 퍼퓨릴 에스테이트의 증가와 관련있다고 보긴 어렵습니다


D. 오히려 프루티한 향을 가지는 퍼퓨릴 에스테이트가 고온 추출에서 증가했기 때문에

추출 온도의 증가에 따른 부정적인 향미의 증가와 상반대는 결과로 보여질 수도 있는거구요


하지만 결론에서는 마치 퍼퓨릴 에스테이트가 추출 온도의 증가에 따른 부정적인 이취 증가에 관계가 있는것 처럼 확신하신 것 처럼 보입니다.

이런 경우, 종종 풍미와 특정한 케미컬을 연결 짓는 일이 발생할 수 있어요

케미컬 수천가지있는데, 단지 양이 좀 많다고 그것과 대응시키기엔 무리가 있는 해석이죠


  



profile

빈브라더스

2020-09-07 15:58  #1341122

보유자격 없음


안녕하세요, 썬카페님. 먼저 이렇게 세심하게 답변주셔서 진심으로 감사드립니다.


내용이 길어 바로 답변하겠습니다.


2번에 대한 답변.


저도 썬카페님의 의견처럼 모든 비극성 분자가 카페인과 같은 용해도 곡선을 갖는다고 보는 것은 어렵다고 생각됩니다.

'비극성 분자는 극성 분자와 다르게 고온에서는 급격하게 용해도가 증가하는 모습을 볼 수 있다'


이 문장을


'비극성 분자는 극성 분자에 비해 상대적으로 매우 낮은 용해도를 가지고 있다.이로 인해 추출시 온도가 어느정도 충분히 높아야 추출성분에 유의미한 기여를 할 수 있을 만큼의 추출이 가능해보인다.'

이렇게 변경하는 것이 저희가 이야기 하고자 하는 내용에 더 부합되는 것 같습니다. 의견주셔셔 감사합니다.



4번에 대한 답변


 Furfuryl Acetate는 이야기해 주신 것처럼 로스트향 외에 바나나향 프루티향으로도 볼 수 있고, 말씀하신대로 부정적인 향미에 기여하는 물질 전체가 파악이 안되었기 때문에 해당 물질로 인해 부정적인 향미가 증가했다고 단정짓는 것은 어렵다고 생각됩니다. 

*바나나 향 외에 로스트 향으로 판단한 이유는 여러 향료 회사에서 Furfuryl Acetate 성분을 바나나, 로스트 향으로 평가했기 때문입니다.

http://www.thegoodscentscompany.com/data/rw1017931.html


<여러 향료 회사의 데이터를 수집하는 TGSC 내 Furfuryl Acetate 데이터 입니다. 올려주신 Bedoukian 회사 외에 Frutarom, Taytonn 등 많은 향료 회사의 데이터를 보실 수 있습니다.>


<향료 회사인 Synerzine 의 Furfuryl Acetate 데이터 입니다. Odor를 mild, oily, burnt 로 평가했습니다.>



본문 내용을 아래와 같이 수정하는 것이 좋을 것 같습니다.


(기존1)"3.8. 측정된 성분들 중 추출수 온도가 증가함에 따라 peak area% 값이 증가하는 성분은 Furfural Acetate와 5-Methylfurfural 성분으로 공통적으로 구운향과 탄향을 나타내는 성분들이다. 이는 관능평가에서 추출수 온도가 높을 때 쓴맛과 더불어 좋지 않은 탄 향이 느껴진다는 의견과 일치하는 결과였다"

이를

(수정1)'실험 결과 측정된 성분들 중 추출수 온도가 증가함에 따라 peak area% 값이 증가하는 성분은 Furfuryl Acetate와 5-Methylfurfural 성분이었다. 알려진 바에 의하면 각각 Furfuryl Acetate는 로스트, 바나나 향을 갖고, 5-Methylfurfural은 nutty, roast burnt 향을 갖는 성분이다.


(기존2)"4. 또한 GC/MS를 이용한 향미 성분 분석을 통해 확인한 것처럼 추출수 온도가 증가할 수록 Furfural Acetate와 5-Methylfurfural 이 증가하여 관능평가에서 부정적인 향이 느껴지게 된다."

이를

(수정2) "또한 GC/MS를 이용한 향미 성분 분석을 통해 확인한 것 처럼 추출수 온도가 증가할 수록 5-Methylfurfural과 같은 부정적인 향미를 지닌 성분도 증가하여 관능평가에서 부정적인 향 또한 증가하는 것으로 보여진다."



다시 한번 좋은 의견 공유해 주셔서 감사 인사드립니다!!

한번 확인해보시고 피드백있으시면 의견부탁드립니다.


감사합니다.

빈브라더스 드림

profile

썬카페

2020-09-09 15:40  #1342851

@빈브라더스님

안녕하세요

상세한 답변 감사드립니다 !

profile

7전8기바리스타

2020-09-07 17:18  #1341189

보유자격 없음

온도라는 변수 참 어렵습니다...

profile

sooyeon.

2020-09-08 09:13  #1341867

보유자격 없음

좋은 자료 감사드립니다. 출근하는 길에 인쇄해서 살펴 봐야겠네요~

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