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에스프레소 머신에서 추출시간이 추출 결과물에 미치는 영향

작성자
발행일
2021/06/25
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추출
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초록

일반적으로 에스프레소 추출시간이 길어질 수록 분쇄된 원두 입자 크기가 작아지고, 추출된 커피 내에 커피 성분도 많이 추출될 것이라고 생각한다. 하지만, 실제로 추출시간에 따른 입도 분포도나 음료의 TDS 값을 측정해 보면, 생각과 다르게 측정된다는 것을 알 수 있었다. 음료의 TDS 값의 경우엔 추출시간 10~20초까지는 추출시간에 따라 값이 증가하는 모습을 보였지만, 추출시간 40초 이후부터 오히려 추출시간에 따라 값이 감소하는 모습을 보였다. 분쇄된 원두의 입도 분포도를 측정했을 때에도 일반적인 생각과 다르게 추출시간과 입도 분포 사이에 뚜렷한 상관관계를 찾기 어려웠다. 이를 통해 분쇄도 변화에 따라 추출시간이 달라지는 이유는 달시의 법칙에서 입자의 크기가 달라지는 것이 아닌 투과도의 변화(커피퍽의 공극률이나 비틀림도, 교결지수)에 의한 것으로 생각된다. TDS 값이 감소하는 것 또한 추출시간이 길어질 수록 교결지수 값이 증가하고, 이로 인해 물이 원두 표면에 도달하지 못해 커피 성분을 용해시키지 못 하는 것으로 보인다. 이 외에도 추출시간에 따른 맛과 향의 변화를 좀 더 객관적으로 확인하기 위해 사람이 직접 관능평가하는 방식 외에도 전자혀와 GC/MS를 이용한 평가 방식으로 맛과 향을 평가하였다. 이번 주제에 대한 논의를 통해 많은 바리스타들이 추출시간에 대해 이해하는데 큰 도움이 되길 바라며, 테스트 결과가 카페 현장과 교육, 연구 개발에 활용될 수 있길 바란다.

1. 서론

추출시간은 바리스타가 에스프레소 세팅을 잡고 난 후 커피 추출이 일관되게 이뤄지고 있는지 파악할 때 사용할 수 있는 유용한 변수이다. 만약 바리스타가 에스프레소를 연속적으로 추출하다가 중간에 추출시간이 달라진다면 바리스타는 추출의 일관성이 달라졌다고 판단하고, 에스프레소 세팅을 다시 맞추거나 추출된 커피를 테이스팅하여 문제가 없는지 확인할 것이다.
이 외에도 추출시간은 추출된 커피의 맛과 향에도 영향을 미친다. 추출시간이 짧을 수록 물과 커피 성분이 접촉하는 시간이 짧아져 쉽게 용해될 수 있는 성분들만 추출이 되고, 추출시간이 길어질 수록 물과 커피 성분이 접촉하는 시간이 길어져 용해되기 어려운 성분들이 함께 추출될 것이다. 즉, 추출시간이 달라지면, 용해되어 나오는 커피 성분들이 달라지면서 맛과 향 또한 다르게 느껴지게 된다.
이처럼 추출시간은 에스프레소 추출에 영향을 주는 변수에서 중요한 변수라고 할 수 있다. 하지만 추출시간은 많은 변수에 의해 결정되므로 추출시간을 일정하게 유지하는 것은 굉장히 어려운 문제이다. 에스프레소 추출에서 추출시간은 담는 원두양에 따라서도 달라질 것이고, 에스프레소 추출양에 따라서도 달라질 것이다. 이 외에도 그라인더의 발열, 그라인더 호퍼에 담긴 원두의 양, 탬핑 세기 등 많은 변수들에 따라 그 값이 달라진다.
그렇다면, 에스프레소를 추출할 때 추출시간은 어떻게 결정될까? 오늘은 에스프레소 추출 시간이 달라지는 이유에 대해 알아보고, 추출시간이 달라짐에 따라 추출된 커피의 TDS 값, 휘발성 유기 화합물의 양, 입도 분도포 등이 어떻게 달라지는지에 대해 과거 연구 결과들과 빈브라더스에서 직접 테스트한 결과를 소개해 볼 예정이다.
1.1. 추출시간이 커피 성분 추출에 미치는 영향
1.1.1. 확산 (Diffusion)
성분의 용해와 확산에 대한 내용은 앞서 작성한 온도에 대한 이야기에서도 다룬 적이 있다. '에스프레소 추출수 온도가 추출에 미치는 영향' 편에서는 용해에 대해 자세히 알아보았으니 이번 글에선 확산에 대해 자세히 알아보자. (입자 크기와 확산이 큰 연관관계가 있기도 하므로)
그림 1. Noyes와 Whitney의 확산층 모델 개략도. 고체 주위로 포화층(최대 용해도까지 용해되어 있는 층)과 확산층(포화층과 용매 사이의 농도 변화 층)이 둘러 싸여있다.
물질의 용해와 확산에 대한 내용은 1897년 Noyes와 Whitney의 논문에서 처음 언급되었다. 이 논문에서는 확산층 모델(Diffusion layer model)을 제시하며, 용해와 확산은 고체 입자(용질) 주위를 둘러싸고 있는 포화층(Saturated layer)과 확산층(Diffusion layer)에 의해 제어된다고 이야기한다.[1] 그림 1)
다시 말해, 확산층 모델이란 포화층에서는 용질 분자와 용매 분자가 서로 섞이는 용해가 일어나고, 확산층에서는 용매에 섞인 고농도의 용질 분자가 저농도의 bulk solution으로 확산되어 지는 과정을 설명한 모델이다.
이와 같은 아이디어와 함께 유명한 Noyes-Whitney 방정식을 소개했다.
여기에서, K는 용해 속도 상수, Cs는 물질의 포화농도 혹은 용해도, C는 시간 t가 지난 후 성분의 농도를 뜻 한다.
이 후, 1900년에 Brunner와 Tolloczko는 위 연구를 기반으로 용해 속도에 미치는 요인에 대한 연구를 진행했고, Noyes-Whitney 방정식에 용매에 노출된 용질의 표면적을 추가하는 방정식을 제안했다.[2]
여기에서, KA는 새로운 확산 비례 상수, E는 표면적을 뜻 한다.
이 연구를 진행한 후, Brunner는 다시 Walther Nernst와 함께 확산 비례 상수 KA에 대한 이론적 연구와 Noyes의 확산층 모델, 픽의 제2법칙을 이용하여 Brunner-Nernst 방정식을 제안했다.[3][4]
여기에서, D는 확산 계수, δ는 확산층 두께를 뜻 한다.
이 후 1931년, Hixson과 Crowell은 고체 입자의 용해 과정에서 질량의 감소를 고려하여 이론을 펼쳤다. 이 연구에서는 모든 고체 입자가 구형을 유지하면서 용해되어 진다는 가정에서 아래 방정식을 제안했다.[5] 하지만 이 식은 실험을 통해 검증되지 않았으므로 참고만 하는 것이 좋다.
위 연구 결과들을 토대로 추출 과정에서 커피의 농도에 영향을 주는 요인들을 알아보면,
(1) 에스프레소 머신 혹은 브루잉 추출수 온도를 올릴 경우
추출수 온도를 올린다 -> 대부분의 고체에서 용해도가 증가한다. -> 식 (3)에서 CS 가 증가한다. -> 용해 속도 dC/dt가 증가한다. -> 커피 농도가 증가한다.
(2) 분쇄된 원두에 물을 붓고 도구를 이용하여 저어줄 경우
교반을 한다. -> 확산층 두께가 줄어든다. -> 식 (3)에서 δ가 감소한다. -> 용해 속도 dC/dt가 증가한다. -> 커피 농도가 증가한다.
(3) 분쇄된 입자의 크기를 줄일 경우
입자 크기가 작아진다. -> 표면적이 증가한다. -> 식 (3)에서 E가 증가한다. -> 용해 속도 dC/dt가 증가한다. -> 커피 농도가 증가한다.
(4) 추출시간이 길어질 경우
추출시간이 길어진다. -> 식 (3)에서 t가 증가한다. -> 커피 농도가 증가한다.
즉, 그라인더의 분쇄도를 조절하여 추출시간이 달라지면, 입자 크기와 추출시간이 달라지면서, 추출된 커피의 농도와 용해도에 따른 성분의 양이 달라지게 된다.
하지만, 위 식은 약제 혹은 세제와 같은 모든 입자가 물에 용해되는 경우에 대한 모델링이고, 커피 입자의 경우 녹지 않는 세포벽 내에 커피 성분이 붙어 있는 형태이므로, 위 용해와 확산 개념을 그대로 사용하기엔 무리가 있다.
Illy가 이야기한 것 처럼 아직까지 물이 세포벽을 통과하여 커피 성분을 녹인 후 다시 밖으로 나오는 과정은 확인되지 않았고[6], 분쇄된 커피 입자의 표면에 있는 커피 성분을 씻어내는 과정이라고 보는 것이 타당하다 생각되며, 커피 입자가 작아질수록 외부에 노출되는 커피 성분이 많아지면서 커피 농도가 올라간다고 보는 것이 더 타당하다고 생각된다.
실제로 아래 '3.5. TDS' 를 보면, 그라인더 분쇄도 값이 작아질수록 TDS 값도 점점 증가를 하다가 특정 분쇄도 값부터는 분쇄도 값이 작아지더라도 TDS 값에 큰 변화가 없는 것을 볼 수 있다. 반대로, 브루잉 정도의 큰 분쇄도 범위에서는 분쇄도 값에 따라 농도가 비례적으로 변화하는 것을 볼 수 있다.
1.2. 추출시간에 영향을 주는 요인
커피 추출시간에 영향을 주는 요인은 토양과 같은 다공성 매체에서 유체가 흐르는 유동을 나타내는 법칙인 달시의 법칙을 이용하면 쉽게 이해할 수 있다.
1.2.1. 달시의 법칙 (Darcy's law)
에스프레소 추출시간에 영향을 주는 요인에는 많은 요인이 있다. 이러한 추출시간은 아래 달시의 법칙을 이용하면 알 수 있다.[7]
여기서, Q는 유량, k는 투과도, ΔP는 압력손실(ΔP=헤드스페이스 수압-기압), A는 커피퍽의 단면적, L은 커피퍽의 높이를 의미한다.
이를 추출시간의 관계식으로 정리하면,
으로 나타낼 수 있다. 이 때, V는 에스프레소 추출양(부피)을 의미한다. 위 달시의 법칙을 이용하여 추출시간에 영향을 주는 요인을 살펴보면,
커피퍽의 높이 L 변화: 담는 원두양 변화, 분쇄된 원두 입자 크기 변화로 인한 커피퍽 부피 변화 등
추출양 부피 V 변화: 에스프레소 머신의 추출양 편차 등
압력손실 ΔP 변화: 그라인더 분쇄도, 에스프레소 머신 압력 변화 등
커피퍽의 단면적 A 변화: 포터필터 크기 변화, 필터바스켓 크기 변화 등
투과도 k 변화: 아래 '1.2.2. 투과도' 에서 자세히 설명
여기서 ΔP는 커피퍽의 저항에 따라 달라지지만, 이전에 빈브라더스에서 작성한 '에스프레소 머신의 압력이 추출 결과물에 미치는 영향' 에서의 결과를 보면 6.5bar~12.5bar 사이에서의 압력 변화에서는 추출시간의 변화가 없었으므로 무시할 수 있고, A는 항상 같은 필터바스켓을 사용하므로 일정하다고 볼 수 있다. 마찬가지로 V 또한 고정된 값이므로 일정하다고 볼 수 있다.
즉, 추출시간에 큰 영향을 주는 요인은 투과도와 커피퍽의 두께라고 할 수 있다. 하지만, 일반적인 추출시간 범위에서 같은 양의 원두를 필터바스켓에 담는다고 했을 때 분쇄도에 따른 커피퍽의 두께 변화는 크지 않으므로 추출시간에 가장 큰 영향을 주는 것은 투과도라고 할 수 있다.
1.2.2. 투과도 (Permeability)
투과도에 대한 연구는 과거부터 현재까지 여러 연구자들로 부터 연구되어 왔다.
투과도의 기본적인 정의는 운동량 보존법칙에서 시작된다. 이 운동량 보존법칙을 이용하여 다공성 매질을 통과하는 유체의 식을 구하고, 여기에 층류 유동에 대한 전단응력 관계식을 도입, 제거할 수 있는 항과 무시할 수 있는 항을 제거하면 아래 식으로 표현될 수 있다.[8]
여기서 Ap는 단면적, Dp는 지름, ε은 공극률을 뜻한다.
하지만, 위 식 (7)은 기본적인 투과도 정의이며, 단순화된 다공성 매질(유체 통로가 모두 원형)을 전제로 하고 있다. 하지만, 실제에선 다공성 매질의 유체 통로가 원형이 아니고, 다양한 기하학적 모양으로 이루어져 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Kozeny는 다공성 매질의 단면의 기하학적 특성을 나타내기 위해 수력직경 Dh을 도입하였다.[9]
수력직경(Dh)이란, 원형이 아닌 다양한 형태의 유체 통로를 그 통로와 같은 면적을 갖는 원형의 유체 통로로 변환했을 때 변환된 원의 지름을 의미한다. 즉, 유체가 흐르는 공극의 모양이 원형이 아닌 경우 원의 직경 Dp 대신 수력직경 Dh를 도입해야 더 정확한 값을 얻어낼 수 있다.
위 그림에서, Dh는 수력직경, P는 유체가 통로 벽면에 접하는 길이를 의미한다.
Kozeny가 식 (7)에 수력직경을 도입한 이유는 단면 모양이 원형이 아닌 기하학적 모양일 경우에도 성립될 수 있는 식을 만들고자 식 (7)에 수력직경을 도입한 것이다.
즉, 위 식 (7)에 수력직경을 도입하여
여기서 Dp는 지름, Dh는 수력직경, ε은 공극률, Cs는 유효입자 형상 인자(Effective particle shape factor), dm은 입자 직경, Ss는 고체 입자의 부피당 비표면적, Es는 비표면적, Vs는 부피, Dm은 입자 직경을 뜻한다.
이후 Carman은 Kozeny가 제시한 투과도 식 (8)에 유체가 다공성 매질을 통과할 때 공극에 의해 생긴 유로 비틀림 T를 포함시켰다.[10][11]
유로 비틀림이란 물이 다공질을 지날 때 직선으로 흐르는 것이 아닌 그림 2 처럼 공극을 따라 흘러감을 의미한다.
그림 2. 유로 비틀림에 대한 개략도[12]
위 식 (9)가 가장 널리 알려진 투수계수를 구하는 식 ozeny-Carman 방정식이다. 여기서 식 (9)는 모든 입자가 완벽한 구형으로 이루어져 있다고 가정한 경우이며, Kozeny는 모든 입자가 구형일 경우 Cs 값은 6을 제시하였고, 비틀림도 T는 Hitchcock 가정을 기반으로 T=(Le/Ls)2=(2/π)2=2.5를 제시하여 그 값을 도입한 것이다.[9][13] 하지만, 분쇄된 커피 입자는 구형이 아닌 다양한 기하학적 형태를 이루고 있으므로 위 식을 이용하는 것은 오차가 클 수 있다. 따라서 Cs 대신 Ss*dm을 대입[9], T 대신 ε(1-m)[14]을 대입하여 계산하는 것이 더 정확한 값을 얻어낼 수 있다.
여기서 m은 교결지수 (Cementation Exponent) 로써 고체 내 공극의 연결 정도를 의미한다. 값은 실험적으로 얻어지는 값을 이용하여 계산할 수 있으며, 교결지수 값이 커질수록 공극 연결이 원활하지 않음을 의미한다. 일반적으로 1~5의 값을 갖고, 교결지수 값은 공극이 직선으로 연결되어 있을 때 1(현실에선 존재하지 않음), 입자가 완전한 구형일 때 1.5, 퇴적물 혹은 퇴적암의 경우 1.5~2.5, 탄산염암의 경우 2.5~5의 값을 가진다.[14]
위 연구 결과들을 토대로 에스프레소 추출에서 추출시간에 영향을 주는 요인들을 살펴보면(투입되는 원두양, 추출되는 에스프레소 양이 동일할 경우)
(1) 분쇄된 원두의 입자 크기가 작아질 경우 (ex: 그라인더 상태 변화, 원두 밀도 변화 등)
분쇄된 원두의 입자 크기가 작아진다. -> 부피 당 비표면적이 증가한다. -> 식 (10)에서 Ss 값이 증가한다. -> 투과도가 감소한다. -> 식 (6)의 투과도 k가 감소한다. -> 추출시간이 증가한다.
(2) 탬핑된 커피퍽의 공극률이 작아질 경우 (ex: 탬핑 세기 변화 등)
공극률이 작아진다. -> 식 (10)에서 ε값이 감소한다. -> 투과도가 감소한다. -> 식 (6)의 투과도 k가 감소한다. -> 추출시간이 증가한다.
(3) 탬핑된 커피퍽의 공극 연결이 원활하지 않을 경우 (ex: 뉴테이션 탬핑, 디스트리뷰션 툴 사용 등)
공극의 연결이 원활하지 않다. -> 식 (10)에서 m값이 증가한다. -> 투과도가 감소한다. -> 식(6)의 투과도 k가 감소한다. -> 추출시간이 증가한다.
즉, 그라인더의 상태 변화, 원두의 밀도 변화 등에 의해 분쇄된 원두의 입자 크기가 작아지면서 추출시간이 달라질 수 있고, 탬핑 세기 변화, 뉴테이션 탬핑, 디스트리뷰션 툴 사용 등에 의해 탬핑된 커피퍽의 공극률 혹은 공극의 연결 상태가 달라질 경우에도 추출시간이 달라질 수 있다.

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))
그림 3. 테스트에 사용한 블랙수트 원두 로스팅 프로파일
2.2. 추출 레시피
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 저울(Lunar, Acaia, USA)을 이용하여 에스프레소가 약 38g±1.0g 이내로 추출되도록 하였다. 추출에 사용한 탬퍼베이스는 지름 58.4mm의 탬퍼를 사용하였으며, 탬핑으로 인한 변수를 통제하기 위해 자동탬핑기(Mano, Tamping Master, South Korea)를 이용하였다.
이렇게 추출된 에스프레소를 준비된 물 270g에 넣어 아메리카노로 만든 후 TDS 측정과 관능평가를 진행하였다.
2.3. 입도 분포도 측정
에스프레소 추출시간이 각 10초, 15초, 20초, 25초, 30초, 35초, 40초, 45초, 50초로 추출되었을 때의 분쇄도로 분쇄된 원두 입자를 이용하여 입도 분포도 측정을 진행하였다.
입도 분석에 사용한 분석기는 레이저 회절 분석기(Mastersizer 3000, Malvern Panalytical, UK)를 이용하였다. 측정은 습식 방식을 이용하였다. 입도 분석기 설정 값은 시료 굴절률 1.53(일반적으로 알려져 있는 분쇄된 커피 입자의 굴절률), 시료 흡광도 0.1(일반적으로 알려져 있는 커피 입자의 흡광도), 시료 밀도 0.51g/㎤(수분 함량 측정기 Bean Pro(Sinar Technology, UK)를 이용하여 측정), 분산용매 굴절률 1.36(메탄올의 굴절률), 교반기 스터러 속도 2,000RPM로 설정 후 3회 반복, 평균을 내어 결과값을 분석하였다.
분쇄된 원두 입자가 들어있는 100ml 유리 바이알 병에 메탄올을 넣은 후 흔들어 메탄올 내에 커피 입자를 분산시켜 주었다. 이 후 입도 분석기 습식 교반기 내 분산 용매의 광손실률이 10%가 되도록 커피 입자가 분산되어 있는 메탄올을 넣어주었다.
이와 같이 시료 전처리를 진행한 이유는, 일반적으로 원두의 경우 오일이 있기 때문에 분쇄된 입자가 서로 뭉쳐져 있어 건식으로 진행하지 않고 습식으로 진행한다. 건식일 경우 원하는 양만큼 시료를 투입할 수 있지만, 습식의 경우엔 그럴 수 없고, 시료를 대략 0.2g 정도 투입하여 측정한다. 그러므로, 분쇄된 원두 20g을 측정할 경우(에스프레소 추출 시 20g을 사용하므로) 분쇄된 원두 20g 중 0.2g만을 채취하여 분석기에 투입한다. 하지만, 20g의 분쇄된 커피 입자에서 무작위로 0.2g을 채취할 경우 채취한 그 시료가 20g의 분쇄된 커피 입자를 대표한다고 보기 어렵다.
빈브라더스에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 20g의 커피 입자를 분산 용매에 넣어 완전히 교반시켜 콜로이드 상태처럼 만들어 준 후 시료를 채취하는 방식으로 진행하였다.
2.4. 분쇄도
에스프레소 추출은 저울을 이용하여 에스프레소 추출양이 38g이 되도록 추출을 진행하였다. 분쇄도 값은 에스프레소 추출시간이 각 15,20,25,30,35,40,45,50,55초가 되도록 분쇄도를 조절하였을 때의 그라인더 분쇄 조절판에 표시되는 값을 기록하였다.
2.5. 첫방울 시간 및 옐로우 포인트 시간
첫방울 시간은 추출 버튼을 누른 후 부터 포터필터 스파웃에서 에스프레소 첫 방울이 떨어질 때까지의 시간을 측정하여 기록하였다.
옐로우 포인트 시간은 추출 중 점성이 줄어들어 물처럼 흔들릴 때의 시간을 기록하였다. 옐로우 포인트 시간은 절대적인 기준으로 측정한 것이 아니므로 참고용으로 보면 좋을 것 같다.
2.6. 크레마 비율
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 질량값을 뺀 값을 크레마의 부피로 정하였다.이 때, 에스프레소는 약 90%가 물이므로 에스프레소의 밀도를 약 1g/㎤라고 가정하였고, 크레마의 무게는 0g 으로 가정하였다.
2.7. 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.
2.8. 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. 1차 관능평가에서 순서를 10초, 20초,30초 순서로 진행하지 않고 추출시간을 무작위로 정하여 테스트를 진행하였다. 관능평가는 빈브라더스 내부에서 3년 이상 근무한 숙련된 바리스타들이 모여 진행하였다.
2.9. 전자혀 측정
완성된 음료의 맛 평가는 바리스타의 관능평가와 더불어 전자혀(Astree-II, Alpha MOS, Toulouse, France)를 이용한 테스트도 진행하였다. 전자혀 측정은 완성된 음료를 여과지(Whatman No. 1, Kent, UK)에 여과한 액 25㎖를 vial병에 담아 측정하였다. 모든 시료는 5회 반복하여 실시하였고 분석 후 센서 헹굼 과정을 거쳤다. 전자혀 결과값은 강도에 대한 절대 값이 아닌 각 맛에 대한 평균치의 상대값으로 표현된다.
2.10. 휘발성 유기화합물 측정
추출시간 10초, 20초, 30초, 40초, 50초로 추출된 에스프레소를 드라이 아이스로 급속 냉각 시켜 3일간 냉동 후 에스프레소의 휘발성 유기 화합물 성분 분석을 진행하였다.
SPME fiber(57284-U, Supelco, Bellefonte, PA, USA)는 divinylbenzene/polydimethylsiloxane(DVB/PDMS) 65㎛로 혼합 코팅된 fiber를 사용하였다. Fiber에 기체 성분을 흡착시키기 전에 시료가 담긴 바이알병을 교반기에 교반속도 500rpm, 70℃에서 10분간 두어 headspace를 형성 시키고, 바이알병의 headspace에 fiber를 5mm 노출시켜 50분간 흡착하였다. 이 후 GC inlet의 온도를 230℃로 설정한 후 needle을 40mm 노출시켜 2분간 탈착시켰으며, split ratio는 20:1로 분석하였다
GC/MS 분석은 Agilent 7890A(Agilent Technologies, Palo Alto,CA, USA)를 사용하여 3번 반복하였다. 분석에 사용한 column은 Agilent J&W DB-WAX(60 m × 250 ㎛ × 0.5 ㎛ film thickness)를 사용하였다. GC 내 오븐은 40℃온도에서 2분간 유지 후 150℃까지 3℃/min으로 승온, 150℃에서 10분 유지 후 200℃까지 3℃/min으로 승온, 200℃에서 5분간 유지 후 230℃까지 6℃/min으로 승온, 230℃에서 5분간 유지 후 주입하였다. 운반기체는 helium을 이용하여 유속 2ml/min 으로 주입하였다. MS detector는 TSQ 8000(Thermo Fisher Scientific, Massachusetts, Waltham, USA)을 사용하였고, scan mode range는 35~550m/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.

3. 결과 및 고찰

3.1. 입도 분포도 분석
표 1. 각 추출시간이 추출되도록 그라인더 분쇄도를 조절한 후 분쇄된 원두의 입자를 레이저 회절 분석기로 분석한 결과 표. 입도 분포도를 해석할 때 주의할 점은 모든 입자가 구형으로 이루어져 있다고 가정한다는 것이다. Specific surface area는 비표면적을 나타내고(이 때 비표면적 값은 실제 측정값이 아닌 측정된 데이터를 이용하여 이론적으로 계산된 값이다.), Mode는 최빈도수, D[3,2]는 분쇄된 입자의 평균 비표면적을 갖는 입자 크기, D[4,3]은 분쇄된 입자의 평균 부피를 갖는 입자 크기, Dv(10)은 %부피의 누적 값이 10%가 되는 입자 크기, Dv(50)은 %부피의 누적 값이 50%가 되는 입자 크기, Dv(90)은 %부피의 누적 값이 90%가 되는 입자 크기, Residual 값은 실제 측정값과 이론적으로 계산된 값의 오차값을 나타낸다. 일반적으로 모든 분야에서 분쇄된 입자의 평균 크기를 이야기할 때 Dv(50) 값을 이야기하고, Residual 값은 1% 이내로 측정되어야 신뢰도가 높다고 판단한다.
그림 4. 각 추출시간의 분쇄된 원두 입자의 입도 분포도 그래프. 여기서 가로축의 단위는 ㎛이며, 세로축의 단위는 %부피이다. 그래프를 읽을 때 세로축이 %부피이므로 입자의 갯수가 아닌 각 입자가 전체 부피에서 몇 %를 차지하고 있는지로 읽어야 한다. 예를 들어, 50초로 추출된 분쇄 원두는 27.4㎛의 크기를 갖는 입자가 전체 부피의 약 2.7%를 차지한다고 읽어야 한다.
표 1을 보면, 분쇄된 입자의 평균으로 볼 수 있는 Dv(50) 값의 변화가 추출 시간과 상관관계 없이 측정된 것을 알 수 있다. 입자의 비표면적 값 또한 추출시간과 상관관계가 없어 보이며, 작은 입자의 수를 알 수 있는 Dv(10) 값, 분쇄된 입자의 평균 비표면적의 입자 크기 값을 알려주는 D[3,2], 입자의 평균 부피의 입자 크기 값을 알려주는 D[4,3] 값도 추출시간과 상관관계를 보이지 않았다.
이를 통해, 추출시간에 큰 영향을 미치는 요인은 입자의 크기보다 공극률과 공극의 연결(혹은 비틀림도)가 더 큰 영향을 미친다고 판단된다.
3.2. 분쇄도
그림 5. 에스프레소의 추출시간에 따른 그라인더 분쇄도 변화 그래프.
분쇄도는 추출시간이 길어질 수록 점점 작아지는 모습을 보인다. 이 때, 분쇄도 기울기는 추출시간이 길어질 수록 점점 작아지는 모습을 볼 수 있었다.
3.3. 첫방울 시간 및 옐로우 포인트 시간
그림 6. 에스프레소 추출시간에 따른 첫방울 시간과 옐로우 포인트 시간을 나타내는 그래프.
추출시간이 길어질 수록 이와 비례하게 첫 방울 시간과 옐로우 포인트 시간도 같이 증가하는 것을 볼 수 있었다.
또한, 첫 방울 시간부터 옐로우 포인트 시간까지의 시간 차이는 점점 증가하는 것에 비해 옐로우 포인트 시간부터 추출 종료 시간까지의 시간 차이는 큰 변화가 없었다.
3.4. 크레마 비율
그림 7. 에스프레소 추출시간에 따른 크레마 비율 변화 그래프.
크레마 비율은 15초부터 30초까지 점점 감소하는 모습을 보이다가 30초부터 다시 증가하는 모습을 보인다. 과거 연구 결과에서 Petracco는 분쇄도가 가늘어질 수록 크레마의 양이 더 많아진다고 했지만[15], 이번 테스트에서는 30초를 기준으로 크레마의 양이 감소하다가 다시 증가하는 양상을 보였다.
3.5. TDS
그림 8. 에스프레소 추출시간에 따른 아메리카노 TDS 값 변화 그래프.
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, 2020, 원, 정수 수질검사 결과) 음료에 포함된 커피성분보다 약 100만분의 1 정도로 적은 양이 포함되어 있으므로 TDS 측정기로 측정된 값은 커피성분의 양이라고 봐도 무방하다.
20초 전까지는 추출시간에 따라 아메리카노의 TDS 값이 급격히 증가하는 모습을 보이고, 이후 부턴 큰 변화가 없는 것으로 보인다. 또한, 추출시간 40초 이후부턴 오히려 TDS 값이 떨어지는 모습을 보였다.
추출시간이 길어진다는 것은 공극의 연결(교결지수)이 좋지 않다고 볼 수 있다. 즉, 추출시간 40초 이후부터 TDS 값이 감소하는 것은 추출시간이 더 길어질 수록 공극의 연결이 막혀있는 부분이 많아져 물이 분쇄된 원두 입자의 표면에 닿지 못해 추출되는 성분의 양이 감소하는 것으로 판단된다.
3.6. 관능평가
그림 9. 에스프레소 추출시간에 따른 관능평가 득표수. 각 참가자들은 좋은 커피 3가지와 좋지 않은 커피 3가지를 선정하였고, 좋은 커피로 선정될 경우 점수 1점, 좋지 않은 커피로 선정될 경우 점수 -1점으로 계산하여 합산한 결과이다.
1차 관능평가는 추출 직후 바로 테이스팅하여 평가를 진행하였고, 2차 관능평가는 추출이 끝난 후 추출된 커피를 섞어 블라인드 테이스팅으로 평가를 진행하였다.
1차 관능평가에서 가장 낮은 득표를 얻은 커피는 40초 추출된 커피였으며, 가장 많은 득표를 얻은 커피는 25초 추출된 커피였다. 2차 관능평가에서 가장 낮은 득표를 얻은 커피 또한 40초 추출된 커피였으며, 가장 많은 득표를 얻은 커피는 50초와 60초 추출된 커피였다.
이 때 진행한 관능평가에서는 같은 커피도 참가자들마다 쓴맛의 여부, 산미, 단맛의 강도 등의 항목들을 모두 다르게 평가하였다. 이는 관능평가를 진행하기 전 참가자들과 함께 테이스팅 칼리브레이션을 진행하지 않았고, 같은 원두의 커피를 연속적으로 테이스팅 하면서 점점 맛을 인지하기 어려웠던 것으로 판단된다. 추출시간에 대한 관능평가는 추후 많은 부분 보완하여 다시 진행하는 것이 좋다고 판단된다.
3.7. 전자혀 분석
그림 10. 에스프레소 추출시간에 따른 맛의 상대적인 강도 변화 그래프.
표 2. 에스프레소 추출시간에 따른 맛의 상대적인 강도 값.
전자혀로 분석한 결과값은 맛의 강도의 절대값이 아닌 샘플들의 맛에 대한 평균 값을 기준으로 상대적인 세기 값을 나타낸다. 즉, 표에서 신맛의 9와 단맛의 9는 같은 강도가 아니다.
추출시간에 따른 맛의 강도 변화를 보면, 신맛은 추출시간이 길어질 수록 점점 감소하는 모습을 보이고, 단맛과 쓴맛, 짠맛은 추출시간이 길어질 수록 점점 증가하는 모습을 보였다. 감칠맛은 20초~30초를 기준으로 증가하다가 다시 감소하는 모습을 보였다.
3.8. 휘발성 유기화합물 분석
표 3. 에스프레소 추출시간에 따른 휘발성 유기 화합물의 성분 변화표. 각 성분의 odor는 TGSC를 참고하였다.
그림 11. 표 3에서 부정적인 향미를 갖는 성분들을 따로 추려내어 에스프레소 추출시간에 따른 성분의 양 변화를 나타낸 그래프.
이번 휘발성 유기 화합물의 비교는 데이터 값과 라이브러리 값의 정확도가 70% 이상인 성분들을 추려내었다. 결과 값은 각 성분마다 정확한 상대적인 비교를 하기 위해 분석하기 전에 각 시료에 1,2,3 trichloropropane 를 일정량 첨가하여 분석 후 1,2,3 trichloropropane의 농도 값을 기준으로 각 성분들의 상대적인 농도 값으로 표현한 것이다. 각 성분들의 Odor는 TGSC를 토대로 작성하였다.
성분들의 Odor 중 부정적으로 느낄 수 있는 성분들은 표에 빨간색으로 표시하였으며, 그래프를 이용하여 추출시간에 따라 각 성분들의 양이 어떻게 변화하는지 나타내었다.
표 3을 보면 모든 성분들이 10초에서 가장 적은 양이 측정되었음을 볼 수 있었으며, 추출시간이 증가함에 따라 성분의 양도 점점 증가하는 추세를 보였다. 자세히 들여다 보면, 대부분의 성분들이 추출시간에 따라 성분의 양이 비례적으로 증가하지 않고 30초 혹은 40초에서 한번 감소 후 다시 증가하는 모습을 보였다.
그림 11은 성분들 중 부정적인 향미로 표현되는 성분들만 추려내어 그래프로 표시한 것이다.

4. 요약 및 결론

이번 테스트는 에스프레소의 추출시간이 추출 결과물에 미치는 영향에 대해 알아보고자 하였다.
추출시간이 길어짐에 따라 당연히 분쇄된 원두 입자의 크기가 감소할 것으로 예상되었지만, 입도 분포 분석 결과를 보면 분쇄된 원두 입자의 평균 크기, 비표면적, 평균 부피값, 평균 비표면적값 모두 추출시간과 큰 상관관계가 있는 것으로 보이지 않았다. 이 후 측정의 오류가 있다고 판단하여 다시 측정을 하였지만 결과는 같았다. 이는 투수계수 계산식 (10)에서 Ss와 dm은 투수계수에 영향을 미치지 않음을 뜻하고, 투수계수는 커피퍽의 공극률과 공극의 연결(혹은 비틀림도)에 더 큰 영향을 받는 것으로 판단된다. 따라서, 분쇄도를 변경할 경우 입자의 크기가 달라진다기보다 공극의 상태가 달라져 추출시간이 달라진다고 보는 것이 더 타당하다고 판단된다.
분쇄도는 추출시간에 따라 점점 감소하는 모습을 보였으며, 추출시간이 길어질 수록 분쇄도 변경값의 폭이 점차 감소하는 모습을 보였다.
첫방울 떨어지는 시간과 옐로우 포인트 시간은 추출시간에 비례하여 증가하는 모습을 보였다. 하지만, 옐로우 포인트부터 추출 종료까지의 시간은 추출시간에 상관없이 큰 차이가 없었다.
크레마의 양은 30초까지 감소하는 모습을 보이다가 30초 이후부터 다시 증가하는 모습을 보였다.
아메리카노의 TDS 값은 10~15초에서 급격히 증가하고 이후 부터는 증가 폭이 크지 않았다. 40초 이후에서는 TDS 값이 오히려 감소하는 모습을 보였으며, 이는 추출시간이 길어질 수록 공극의 연결(교결지수)이 막히는 경우가 증가하고, 물이 분쇄된 원두 입자 표면에 닿지 못하여 용해되는 성분의 양이 감소하고, 이로 인해 TDS 값이 감소하는 것으로 판단된다.
관능평가에서 가장 많은 득표를 얻은 추출시간은 25초(1차 관능평가), 50초, 60초(2차 관능평가) 였다. 가장 적은 득표를 얻은 추출시간은 1차, 2차 관능평가 모두 40초 였다. 하지만, 이번 관능평가는 참가자들의 테이스팅 칼리브레이션의 부재 등 많은 미흡한 부분이 있어 추후 다시 관능평가를 진행하는 것이 좋을 것으로 판단된다.
전자혀를 이용한 분석 결과 신맛은 추출시간이 증가함에 따라 감소하는 모습을 보였고, 단맛, 쓴맛, 짠맛은 증가하는 모습을 보였다. 감칠맛은 20~30초 를 기준으로 증가하다가 다시 감소하는 모습을 보였다.
휘발성 유기 화합물은 라이브러리와 데이터 값의 일치도가 70% 이상인 성분들만 추렸을 때 각 성분들의 양의 경우 추출시간이 증가함에 따라 증가하는 추세를 보였다. 하지만, 거의 대부분의 성분들의 양이 30초, 40초에서 감소하고 다시 증가하는 모습을 보였다.

5. 참고문헌

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