커피 컬럼 정보

커피 로스팅과 증발 전선(The Evaporation Front) Part1.

2023-01-25  


참조 https://www.baristahustle.com/blog/the-evaporation-front/


커피 로스팅과 증발 전선(The Evaporation Front) Part1.

출처 : 바리스타 허슬


호주의 유명 바리스타 교육 사이트인 바리스타 허슬에 공개된 The Evaporation Front(이 글에서는 이 현상을 「증발 전선」이라 부르기로 한다.) 현상에 대해 소개하고자 한다. 이 현상은 생두가 로스팅 머신을 통해 열을 공급받게 되면서 내부의 수분이 증기로 변하여 내부적으로 압력을 받게 되는데 이 현상 중 원두 내부에서 발생하는 층을 증발 전선이라 부른다.(자세한 내용은 삽화 아래에서 설명)

아마 블랙워터이슈의 독자들이라면 누구나 로스팅시 생두 내부에 존재하는 수분이 열을 공급받으면서 내부에 압력이 발생한다는 사실과 그로 인해 원두에 균열이 생기는 크랙(Crack)이라는 현상을 한 번쯤 들어본 적이 있을 것이다. 하지만 이 과정에서 발생하는 많은 화학적, 물리적 사실들에 대해서는 거의 알려진 바가 없다. 그저 유추할 뿐이다. 하지만 바리스타 허슬의 이 포스트에서는 이 현상을 두고 로스팅 중에 수분이 어떻게 증발하는지에 대한 과학적인 내용을 자세히 살피고, 증발이라는 과정이 커피 로스팅에 있어서 왜 중요한지를 가늠할 수 있게 해준다.


증발 전선 : 원두의 내부(가장 안쪽)에는 액체(결합수)와 고압의 증기가 모두 포함되어 있다. 증기는 사방이 고압으로 둘러싸여 있기 때문에 1번에 포함된 증기는 밖으로 배출되기 어렵다. 먼저 2번에서 볼 수 있는 것처럼 겉층의 증기가 빠져 나간다. 이 겉층과 가장 안쪽 층 사이에 형성되는 층(3번)을 증발 전선이라 한다. 이 층을 통해 결합수 역시 증기로 빠져나갈 수 있게 된다.


먼저 증발 전선에 대해 논하기에 앞서 이 현상의 가장 중요한 원리는 수분이 원두의 외부 층에서 가장 먼저 빠져나가야 한다는 것이다. 로스팅이 시작되면 생두의 온도는 콩 표면 근처에서 가장 빠르게 증가하고 열은 내부 층으로 더 천천히 이동하게 된다. 

여기서 위 삽화 1번에 팔한 부분으로 표기된 결합수(Bound water)에 대해 생각해 볼 필요가 있다. 결합수란 영어 단어의 의미대로 생두 내부 조직과 든든하게 결합된 물(액체)를 가리킨다. 이 결합수는 살아 있는 조직에 존재하는 물로 용질, 구성 분자, 구성 성분 등에 강하게 끌여당겨지고 있어 간단히 제거되지 않는 물 분자를 말한다. 따라서 결합수의 경우 쉽게 내부에서 외부로 빠져 나가기 어렵다. 

생두 온도가 100도 이상으로 올라가면 겉층에서 빠져나갈 수 있는 증기보다 더 많은 증기를 필요로 하게 된다. 따라서 원두 내부의 압력이 상승하고, 그 내부 압력은 25기압까지 올라가는 것으로 알려져 있다.(Bonnländer et al 2005) 이 압력은 올림픽 트랙에 사용되는 자전거 타이어 압력의 두 배 이상이다. 원두 내부에서는 높은 압력 상태가 유지되므로 물이 증발하기 어려운 상태가 된다. 따라서 원두에는 끓는점보다 훨씬 높은 액체 상태의 물과 결합수가 여전히 포함되어 있다. 이것은 에스프레소 머신의 스팀 보일러에 120도 이상의 물과 증기를 포함하고 잇는 것과 같은 방식으로 볼 수 있다.

원두의 겉층에서 증기는 원두의 기공을 통해 빠져나가기 때문에 압력이 떨어지고 나머지 물은 증발하게 된다. 하지만 원두 내부층에서는 사방이 고압 증기로 둘러싸인 상태이므로 증기가 빠져나가기 어려운 상태다. 그 결과 원두의 겉층은 건조해지고, 내부층은 여전히 충분한 수분을 함유하고 있게 된다. 하지만 로스팅이 진행되면서 점점 더 많은 증기가 외부로 빠져 나가고 따라서 증발 전선(층)이 원두의 중앙을 향해 위 그림처럼 안쪽으로 이동하게 된다.


로스팅시 증발의 중요성

물을 증기로 바꾸는데는 많은 에너지가 소비된다. 이 에너지를 우리는 증발 잠열(Latent Heat Of Vaporization, 蒸發潛熱)이라 부른다. 

  • 증발 잠열 : 온도 변화 없이 1g의 액체를 증기로 변화시키는데 필요한 열량. 

이 개념을 이해하는 것은 수분 증발이 원두에 어떤 영향을 미치는지 이해하는데 중요하다. 일정한 속도로 물을 데어면 물의 온도가 점차 높아진다. 그러나 100도 이상에서는 계속 열을 가하더라도 온도는 더 이상 올라가지 않고 물은 100도로 유지된다. 그동안 에너지는 물의 온도를 높이는 것이 아니라 물을 증기로 바꾸는데 사용된다. 실제로 물을 0-100도로 가열하는 것보다 물을 증기로 바꾸는 데 5배의 에너지가 필요하다고 한다.


물의 증발 잠열 : 열을 가하면 물의 온도가 100도까지 올라가다 잠시 멈추는 구간이 보인다. 추가된 열은 모든 물이 증기로 변할 때까지 증발하는데 사용된다.


이것은 증발 전선에서 원두가 흡수하는 많은 에너지가 온도를 높이는 대신 물을 증발시키는데 사용된다는 것을 의미한다. 반면 원두의 겉층에서 그 열은 모두 화학 반응을 일으키고 원두의 온도를 높이는데 사용될 수 있는 것이다. 

이를 이해하면 원두를 고르게 익히는 것이 얼마나 어려운 일인지를 이해할 수 있다. 원두에 가해지는 모든 열이 내부 층보다 더 빠르게 겉층의 온도를 증가시킬 수 있다는 이야기다. [다음 기사에서는 증발 전선이 로스팅에 미치는 영향에 대해 더 자세히 다룰 예정이다.]


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