아라비카 커피의 배전 중 항산화 및 향기패턴의 변화

본 연구에서 사용한 커피생두는 Coffea arabica 종으로 브라질(Brazil) 미나스 제라이스 주에 위치한 몬테 알레그레 농장(Monte Alegro Estate)과 에티오피아(Ethiopia) 시다모 (Sidamo) 지역에서 2013년에 생산된 생두이었다.

커피생두는 열전도 방식 로스터인 프로밧 샘플로스터 (Probat, Emmerich, Germany)를 이용하여 동일한 조건하에 서 볶았다.

커피 생두 120 g을 175~190℃의 온도에서 볶았으며, 볶음 조건은 ‘1차 균열 시작 전, 1차 균열 시작 후, 2차 균열 시작 후’로 하였다. 브라질 커피는 생두를 175℃에서 투입 하여 각각 9분 162℃, 10분 180℃, 12분 10초 185℃에 배출하 였다. 에티오피아 생두는 175℃에 투입하여 8분 20초 173℃, 8분 50초 175℃, 13분 185℃에 배출하였다. 커피업계에서 약배전, 중배전, 강배전을 나눌 때에 다소의 이견이 있지만 본 연구에서는 편의상 처음 배출 시료를 ‘약배전’, 중간 배출 시료를 중배전, 마지막 배출시료를 ‘강배전’으로 표시 하였다. 볶은 커피의 분석을 위하여 분석 바로 전에 커피분 쇄기(Type R-220, Fujikouki Co., Ltd., Tokyo, Japan)를 사용 하여 850 μm (표준체 No. 20) 이하의 크기가 되도록 분쇄하 여 사용하였다.

분쇄한 원두커피 분말의 색도를 비교하기 위하여 색차계 (CR-400, Minolta Camera Co., Ltd., Osaka, Japan)를 이용하 여 5회 반복 측정하여 그 평균값을 Hunter Lab scale에 의한 명도(L), 적색도(a), 황색도(b) 값으로 나타내었다. 이 때 사용된 표준 백판의 L값은 95.99, a값은 -0.14, b값은 -0.24이 었다.

카페인 및 클로로겐산은 두 성분을 동시에 분석할 수 있는 Hecimovic(18)등의 방법에 따라 행하였다. 배전커피 2 g을 정확히 평량하여 끓는 증류수(96℃) 20 mL를 더한 후 15분 동안 hot plate에서 서서히 가열하였으며, 상온에서 냉각시킨 후 0.45 μm filter로 여과하여 최종 검체로 하였다. 분석기기로서Agilent 1200 HPLC system(Agilent Technologies, Palo Alto, CA, USA)을 사용하였고, column은 reverse-phase column Pinnacle C-18(Restek, USA)(250×4.6 mm, 5 μm id) 을 사용하였다. 이동상은 1% formic acid(A)와 HPLC grade methanol(solvent B)를 유속 1 mL/min로 하였다. B 용매의 비율을 2%에서 시작하여 20분 후에 32%, 30분 후에 40%, 40분 후에 95%가 되게 하였다. 카페인은 278 nm, 클로로겐 산은 330 nm에서 측정하였다. 표준용액 제조는 카페인과 클로로겐산(Sigma, St. Louis, MO, USA)을 각각 1,000 ppm 으로 만든 다음 희석하여 검량곡선을 작성한 다음 시료에 대해서 농도를 측정하였다.

추출물의 총 페놀 함량은 Folin-Ciocalteu시약을 사용하 여 측정하였다. 추출물 2 μL를 물 78 μL와 Folin-Ciocalteu phenol reagent(Sigma-Aldrich) 20 μL를 가형 실온에서 5분 간 반응시킨 후, 20% Na₂CO₃ 로100 μL를 가한 후 암소에서 30분 동안 방치한 후 Synergy HT- Multi-microplate reader(Bio-Tek Instruments, Winooski, VT, USA)를 이용하 여 515 nm에서 흡광도를 측정하였다. 총 페놀 함량은 gallic acid를 표준물질로 한 표준곡선에 의하여 산출하였다.

DPPH 라디칼 소거능은 Blois 방법(19) 에 따라 측정되었 다. 각 추출물 시료를 2배 희석하여 96 well plate에 20 μL 부터 계열희석 분주하였고, 400 μM DPPH용액 180 μL를 넣고 혼합하여 상온의 어두운 곳에 30분 간 방치한 다음 515 nm에서 흡광도를 측정하였다. 각 시료와 ascorbic acid 의DPPH 라디칼 소거능은 아래의 식에 의해 전자공여능으 로 계산하였고, 50% 전자공여능 값을 나타내는 SC50 값으 로 표현하였다.

전자공여능(%)=(1−시료의 흡광도/무처리구 흡광도)×100

DPPH 라디칼 소거능은 ascorbic acid equivalent(AAE)/그 램 건조 중량으로 표현하였다.

ABTS 라디칼 소거능은 Re 등(20)의 방법에 따라 측정하 였다. ABTS 라디칼 용액은 3.5 mM potassium persulfate를 포함하는 2 mM ABTS 용액을 8배 희석시킨 후, 어두운 곳에 14시간 보관하여 만들었다. 각 추출물 시료를 2배 희석 만들어 96 well plate에 20 μL 부터 계열희석 분주하고, ABTS 라디칼 용액 180 μL씩 가하였다. 상온에서 5분간 반응 후, 730 nm에서흡광도를 측정하였다. 각 시료의 ABTS 라디칼 소거능은 아래의 식에 의해 전자공여능으로 계산하 였고, 50% 전자공여능 값을 나타내는 SC50 값으로 표현하 였다.

전자공여능(%)=(1−시료의 흡광도/무처리구 흡광도)×100

ABTS 라디칼 소거능은 ascorbic acid equivalent(AAE)/그 램 건조 중량으로 표현하였다.

배전 정도에 따른 차이를 GC-전자코로 분석하고자 하였 다. 커피분쇄기(Type R-220, Fujikouki Co., Ltd., Tokyo, Japan)를 사용하여 850μm (표준체 No. 20) 이하의 크기가 되도록 분쇄한 시료 각 1 g이 들어 있는 vial을 300 rpm으로 교반하면서 60℃를 유지하였고, 주입구 온도는 130℃인 상 태에서 주입하였다. 이 때 사용한 가스는 헬륨이었으며 분 당 50mL의 유속으로 흘려보냈으며, 분석 시간은 5분이었 다. Syringe purge는 3초를 유지한 후 thermostated tray holder에 놓은 후 head space syringe를 사용하여 5 mL을 취하였다. 시료는 자동시료채취기가 연결된 전자코(GC type E Nose Heracles II, Alpha M.O.S., France)로 분석하였 다. 분석에 사용된 전자코는 두 개의 column(100 μm id # DB5,100 μm id #DB1701)과 두 개의 FID(flame ionization detectors)에 연결되어 있었다. 각 시료는 6회 반복을 실시하 였다. 통계 처리에는 Alpha MOS에서 제공된 소프트웨어를 사용하였다(17).

커피의 맛에 대한 평가는 전자혀(Astree, Alpha MOS, Toulouse, France)를 사용하였다. 시료 1g을 98℃ 증류수 100 mL에 넣어 98℃ shaking water bath에서 20분간 추출한 후 여과지(Whatman No. 1, Kent, UK)에 여과한 액 25 mL를 유리용기에 담아 자동시료측정기에 놓았다. 모든 시료는 6회 반복하여 실시하였으며 단일 샘플의 분석 후 센서 헹굼 과정을 거쳤다. 통계 처리에는 Alpha MOS에서 제공된 소프 트웨어를 사용하였다.

에티오피아 커피와 브라질 커피의 배전 중 색도의 변화 는 Table 1과 같다. L값(lightness)은 0~100(흑색에서 백색) 으로 명도를 나타내며, a값(redness)은 녹색에서 적색으로 적색도를 나타내며, b값(yellowness)은 청색에서 황색으로 황색도를 나타낸다. 배전과정 중 에티오피아 커피와 브라 질 커피는 명도, 적색도, 황색도 모두 크게 감소하는 것으로 나타났다. 이는 배전 후 분쇄한 원두커피 분말의 색도는 배전시간이 길어짐에 따라 L, a, b값이 낮아졌다고 보고한 다른 연구자들의 결과와 비슷한 결과였다(21,22). 에티오피 아 커피는 브라질 커피보다 명도, 적색도, 황색도의 변화 의 폭이 훨씬 더 커서 배전 중 색의 변화가 훨씬 더 큰 것으로 나타났다. 배전에 의해 커피색이 갈색 또는 검은색 으로 변하는 원인으로는 배전과정 중의 Maillard 반응에 의해 생성되는 melanoidin과 같은 색소 때문이라고 보고되 고 있다(23).

커피원두의 품종별에 따른 커피의 카페인 함량은 Table 2에 나타나 바와 같이 에티오피아 커피는 약배전 시료에서 는 0.81%, 강배전에서는 0.87% 수준이었으며, 브라질 커피 의 경우 약배전 시료에서는 0.87%, 강배전에서는 1.11%로 브라질 커피가 약간 높게 나타났으나 배전과정에서 유의적 인 차이는 없는 것으로 나타났다. Kim 등(5)은 Arabica 품종 인 Columbia및 Brazil은 건조함량으로서 약 1.0%, Robusta 종인 India의 경우 약 2.0% 수준을 나타냈다고 보고한 바 있으며, Belitz 등(24)은 볶은 커피는 1.3~2.4%의 카페인을 함유한다고 보고하였다. 일반적으로 배전공정은 카페인의 승화점(178℃) 이상에서 진행되므로 카페인의 손실은 어느 정도 예상할 수 있으나, 매우 강한 배전공정이 아닌 경우 카페인의 손실은 매우 적은 것으로 보고되고 있다(5).

페놀성 화합물은 식물계에 널리 분포되어 있는 2차대사 산물의 하나로 수천가지가 존재한다. 커피의 페놀 화합물 로는 클로로겐산, 탄닌, 리그닌, 토코페롤, 안토시아닌 등이 존재하는 것으로 보고되고 있다. Table 2에서 보는 바와 같이 에티오피아 커피는 약배전 시료 3.31%에서 강배전 3.06%로 약간 감소하였으나 유의적으로 큰 차이를 보이지 않았으며, 브라질 커피는 약배전 3.16%에서 강배전 3.26% 로 크게 변화하지 않았다.

Nicoli 등(25)은 배전 중에 클로로겐산의 감소로 인해 총 페놀 함량도 감소 하지만 Maillard 반응물질과 같은 항산 화성을 가진 화합물의 생성으로 인해 볶은 커피의 항산화성 은 그대로 유지되거나 오히려 증가한다고 보고했다. Kim 등(26)도 배전 시간이 진행됨에 따라 총 페놀 화합물 함량이 다소 감소한다고 보고한 바 있으며, Farah 등(27)도 배전 중에 총 페놀 화합물의 농도는 다소 증가하다가 최종적으로 는 감소하는 경향이 나타난다고 보고하였다.

커피의 페놀화합물 중 가장 많은 부분을 차지하는 클로 로겐산은 항산화 작용(antioxidant activity)뿐만 간기능강화 (hepatoprotective activity), 혈당강하력(hypoglycemic activity) 등 건강기능성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다(27). 또한 클로로겐산은 배전공정 중 이성화되거나 가수분해, 분해작 용을 거쳐 저분자물질로 변화된다. 또한 클로로겐산의 일 부는 quinolactone이나 melanoidin으로 전환되는 것으로 보 고되고 있다(26). 이러한 화합물들은 커피의 맛과 향에 많은 영향을 주기 때문에 커피의 품질을 평가하는데 있어서 매우 중요한 성분으로 알려져 있다(5). 본 연구에서의 커피 배전 중 클로로겐산 함량 분석 결과는 Table 2와 같다. 에티오피 아 커피는 약배전 2.27%에서 강배전 0.49%로 크게 감소했 으며, 브라질 커피의 경우에도 약배전 2.15%에서 강배전 1.32%로 크게 감소하여 에티오피아 커피가 브라질 커피보 다 배전 중 클로로겐산 함량 변화가 훨씬 큰 것으로 나타났 다. Belitz 등은 볶은 커피는 2.7~3.1%의 클로로겐산을 함유 하는 것으로 보고한 바 있다(24)

Kim 등(5)은 배전정도가 강해질수록 클로로겐산 함량 감소 정도와 상관관계식이 직선성을 보여주며, 클로로겐산 함량을 토대로 배전정도와의 상관관계식을 구한 다음, 클 로로겐산 함량을 대입한다면 커피의 배전정도를 추정하는 것이 가능하다고 하였다.

최근 인체 내에서 생성된 free radical이 각종 질병과 세포 노화 및 특정암을 유발한다는 보고와 함께 다양한 형태의 free radical에 대한 관심이 증대되고 있다. 일반적으로 우리 가 섭취하는 식물성 식품에는 유해한 free radical 제거가 뛰어난 여러 가지 항산화제가 존재한다. 식물성 식품에 존 재하는 비타민 A, C, E와 더불어 카로티노이드, 플라보노이 드류, 폴리페놀 물질이 대표적이다(28). 전자공여능은 활성 라디칼에 전자를 공여하여 식품 중의 지방질 산화를 억제하 는 척도로 이용되고 있을 뿐만 아니라 인체 내에서 활성 라디칼에 의한 노화를 억제하는 척도로 이용되고 있다. 배 전에 따른 커피의 항산화능을 DPPH 및 ABTS 방법으로 측정하였다. DPPH radical 소거활성을 측정한 결과 에티오 피아 시료에서는 배전과정이 진행됨에 따라 감소하는 것으 로 나타났으나 유적인 차이를 나타내지 않았고, 브라질 시 료에서도 중배전에서 증가하였다가 강배전에서는 약간 감 소하는 것으로 나타났으나 유의적인 차이를 보이지 않았다 (Table 2).

DPPH는 소수성 물질에 의해 환원되어 짙은 자색이 탈색 됨으로써 전자공여능의 차 측정이 가능하며, ABTS는 물질 의 친수성 및 소수성 물질의 항산화력을 측정하는 것이 가능하다(29). 브라질 시료에서는 중배전과 강배전한 것의 ABTS 항산화력이 높았으며, 에티오피아 시료에서는 중배 전 시료에서 가장 높았으나 유의적인 차이를 보이지 않았 다. Wang 등(30)은 배전과정은 커피의 천연 페놀함량을 감소시키지만 Maillard 반응물질과 같은 다른 물질을 증가 시키는 등 커피의 화학성분과 생물학적인 활성의 변화를 초래한다고 보고하였다(30).

Sacchetti 등(10)은 중배전 시에 항산화력이 증가하다가 강배전 시에는 감소한다는 보고도 있으며, 배전정도에 따 라 항산화력이 증가하기도 하고 감소하기도 하는 상반된 결과가 보고된 바 있는데 그 이유는 색도, 밀도, 무게 의 감소 등으로 묘사되는 배전정도에 관한 정확한 기준이 없기 때문이라고 보고했다. Rhi 등(22)은 원두커피에서 얻은 갈 색추출물의 항산화력은 배전시간이 16분 경과시까지는 증 가하였고, 16분 이후에는 항산화력이 오히려 감소했다고 보고했다. 이것은 배전온도 210℃에서 16분 배전할 때 생성 된 항산화물질이 그 이상 가열하면 분해되기 때문인 것으로 보인다고 보고했다. 본 연구에서는 배전 온도가 175~190℃로 이루어져 온도 차이가 그리 크지 않기 때문에 항산화력 에서 유의적인 차이를 나타내지 않은 것으로 사료된다.

커피의 배전과정은 커피의 물리적인 측면뿐만 아니라 향 생성에 있어서도 매우 중요한 요소로, 같은 생두라고 할지라도 배전 정도에 따라 향을 이루는 성분들이 달라질 수 있다(11). 에티오피아 커피와 브라질 커피의 향기 패턴을 알아보기 위해 판별함수를 분석한 결과를 Fig. 1에 나타내 었다. 판별함수 분석은 시료간의 차이를 나타내는 수십 개 의 ion fragment가 갖고 있는 특성의 의미를 함축하여 그래 프의 x축에 DF1을, y축에는 DF2에 의한 2차원 그래프로 표현하여 시료간의 차이를 구별하게 된다(17).

Fig. 1. Discriminant function analysis of the electronic nose data for flavor pattern of roasted coffee (B1: Brazil light, B2: Brazil medium, B3: Brazil dark, E1: Ethiopia light, E2: Ethiopia medium E3: Ethiopia dark).

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분석 결과 가로축에 해당하는 DF1의 F값이 62.44%, 세로 축에 해당하는 DSF2의 값이 33.73%로 시료간의 차별성이 x축과 y축이 2:1의 비율로 영향을 받아 구분되었다. 약배전 시료는 DF1의 0에 가까웠으며, 에티오피아 커피 중배전한 시료는 DF1의 왼쪽 범주에 속했으며, 강배전 시료는 오른 쪽 범주에 속하여 뚜렷한 차이를 보였다. 반면에 브라질 커피 중배전한 시료는 오른쪽 범주에 속했으며, 강배전한 시료는 왼쪽 범주에 속하여 서로 차이가 있음을 나타냈다. 이는 배전온도에 따라 에티오피아 커피와 브라질 커피는 추출되어 나오는 휘발성 성분이나 함량이 차이가 난다는 것을 보여 주는 것으로 사료된다. 브라질 커피를 배전한 것과 에티오피아 커피를 배전한 시료 사이에 각기 다른 향의 패턴 양상을 보이고 있는데 이를 함께 비교하는 데에 혼동이 야기될 수 있다고 여겨진다. 따라서 두 시료의 분석 데이터를 따로 나누어 배전 정도에 따라 각각의 시료가 어떤 양상을 보여주는지를 살펴보는 것이 바람직할 것으로 사료된다. 이는 우리가 보기에는 이들이 같은 커피라고 볼 수 있으나 전자코는 전혀 다른 것들이라고 인식할 수가 있음을 의미한다.

전자혀 분석은 커피의 브랜드, 주스의 숙성 등 주로 액상 의 음료에 적용되고 있다(17). 전자혀 분석은 맛을 대표하는 7개의 센서로 구성되며 사람의 미각과 마찬가지로 센서 SRS는 신맛, STS는 짠맛, UMS는 감칠맛, SWS는 단맛, BRS는 쓴맛을 감지하며, GPS와 SPS 센서는 센서의 값을 보정하는 표준센서로 의미를 두지 않는다(17).

분석 결과는 Fig. 2와 Table 3에 나타난 바와 같다. 배전에 의해 caffeic acid, quinic acid 성분은 분해되어 저분자화되 며, 휘발산은 휘발되어 산도가 낮아져 커피의 신맛에 영향 을 미친다고 보고되어 있다(31). Fig. 2에 나타난 바와 같이 에티오피아 시료의 중배전한 커피가 신맛이 가장 강한 것으 로 나타났으며, 일반 성분 분석에서도 에티오피아 중배전 한 시료의 pH 값이 가장 낮은 것으로 나타나 이를 잘 대변하 고 있다고 볼 수 있다.

Fig. 2. Changes in organoleptic character istics of roasted coffee by electronic tongue (B1: Brazil light, B2: Brazil medium, B3: Brazil dark, E1: Ethiopia light, E2: Ethiopia medium E3: Ethiopia dark).

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배전 중 당분의 일부는 탄산가스로 변화되어 방출되고, 당분의 일부는 카라멜화(caramelization)변화를 일으키며, 아미노산과의 반응에 의하여 멜라노이딘이 생성되는 갈변 반응(Maillard reaction)이 일어나 단당류의 함량이 감소하 는 것으로 알려져 있다(32). 브라질 커피와 에티오피아 커피 모두 배전 중에 단맛이 감소되는 것으로 나타났다(Fig. 2).

1908년 Ikeda에 의해 발견된 umami(감칠)맛은 단맛, 신 맛, 짠맛, 쓴맛에 이어 5번째의 맛으로 알려져 있으며, 최근 들어 음식업계에서 관심을 끌고 있다. Umami맛은 glutamate, nucleotide인 inosinate(IMP)에 의한 맛으로 단맛과 짠맛을 더 느끼게 하여 음식에서의 소금, 지방, 칼로리의 섭취를 줄일 수 있으며, 신맛과 쓴맛을 덜 느끼게 하여 커피의 쓴맛 에 민감함 사람들로 하여금 커피의 쓴맛을 더 부드럽게 느끼게 한다는 것이다(33). 본 연구에서 에티오피아 커피와 브라질 커피 배전에 따라 umami맛이 증가하는 것으로 나타 났으며, 에티오피아 커피보다는 브라질 커피에서의 umami 맛이 더 강한 것으로 나타났다.