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문제 정의
- 본 연구에서는 3종류의 커피 생두를 배전 온도 181~21 5℃에서 약배전, 중배전, 강배전으로 볶아, 이에 따라 변화되는 커피의 카페인, 클로로겐산, 총 페놀, 1,1-diphenyl2-picrylhydrazyl(DPPH)과 2,2'-anizo-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)(ABTS) 라디칼 소거활성을 측정하여 배전강도에 따른 커피 구성성분의 변화를 조사하고자 하였다. 또한 전자코를 이용하여 볶음 정도에 따른 커피의 향을 객관성 있게 분석하여 커피원두의 배전 정도를 예측할 수 있는 기초자료를 제시하고자 하였다.
- 본 연구에서는 3종류의 커피 생두를 배전 온도 181~21 5℃에서 약배전, 중배전, 강배전으로 볶아, 이에 따라 변화되는 커피의 카페인, 클로로겐산, 총 페놀, 1,1-diphenyl2-picrylhydrazyl(DPPH)과 2,2'-anizo-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)(ABTS) 라디칼 소거활성을 측정하여 배전강도에 따른 커피 구성성분의 변화를 조사하고자 하였다.
제안 방법
- 분석에 사용된 전자코는 두 개의 column(100 μm id #DB5,100 μm id #DB1701)과 두 개의 flame ionization detectors(FID)에 연결되어 있었다. 각 시료는 6회 반복을 실시하였다.
- 각 추출물 시료를 2배 희석하여 96 well plate 20 μL부터 계열희석 분주하고, ABTS 라디칼용약 180 μL씩 가하였다.
- 배전 정도에 따른 차이를 GC-전자코로 분석하고자 하였다. 커피분쇄기(Type R-220, Fujikouki Co.
- 브라질, 인도네시아, 케냐 커피의 향기 패턴을 알아보기 위해 각 시료 간에 의미 있는 차이가 있는 10개의 피크를 선정하여 주성분 분석(PCA)한 결과를 Fig. 2에 나타내었다. PC1의 편차는 74.
- 생두와 배전 조건 별 원두의 색도를 비교하기 위해 분쇄한 시료를 색차계(CR-400, Minolta Camera Co., Ltd., Osaka, Japan)을 이용하여 5회 반복 측정하여 그 평균값으로 하였다. 색도는 명도(L*),적색도(a*), 황색도(b*)의 값으로 나타내었다.
- 생두와 원두의 밀도는 100 mL 눈금 실린더에 커피콩을 넣고 10회 위아래로 흔들어 빈 공간을 최소화한 후 100mL 부피의 무게를 측정하였으며, 각 5회 반복 측정하여 평균값을 계산하였다. pH는 볶은 커피 1 g을 100 mL 정용 플라스크에 넣고 98℃의 증류수 100 mL를 넣은 다음 20분 동안 추출하여 여과한 액을 실온으로 식힌 후 pH meter(SP-701, Suntex Instruments Co.
- 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 분석하였다. 분석에 사용된 전자코는 두 개의 column(100 μm id #DB5,100 μm id #DB1701)과 두 개의 flame ionization detectors(FID)에 연결되어 있었다.
- 아라비카 커피 생두 3종(브라질 버번, 인도네시아 만델링, 케냐 타투)을 배전 온도 181~215℃의 범위에서 8.15~11.83분의 조건에서 약배전, 중배전, 강배전으로 배전하여 물리적 특성, 이화학적 성질, 항산화력 등을 조사하였다. 배전 온도가 증가함에 따라 무게와 밀도가 감소하였고, L*, a*, b*값이 감소하였다.
- 6 mm, 5 μm id)을 사용하였다. 이동상은 1% formic acid(solvent A)와 HPLC grade methanol(solvent B)를 유속 1 mL/min로 흘렸으며, B용매의 비율을 2%에서 시작하여 20분 후에 32%, 30분 후에 40%, 40분 후에 95%가 되게 하였다. 카페인은 278 nm, 클로로겐산은 330 nm에서 측정하였다.
- 이 용액에 20% Na2CO3 100 μL를 가한 후 암소에서 30분 동안 방치한 후 Synergy HT-Multi-microplate reader(Bio- Tek Instrument, Winooski, VT, USA)를 이용하여 515 nm에서 흡광도를 측정하였다. 총 페놀함량은 gallic acid(GA)를 표준물질로 한 표준곡선에 의하여 산출하였다.
- 추출물의 총 페놀함량은 Folin-Ciocalteu시약을 사용하여 측정하였다. 커피 추출물 2 μL에 증류수 78 μL를 첨가한 후 Folin-Ciocalteu phenol reagent(Sigma Aldrich Co.
- 커피 생두와 조건별로 배전한 커피 2 g을 정확히 평량하여 뜨거운 증류수(96℃) 20 mL를 더한 후 15분 동안 hot plate에서 추출하였으며, 상온에서 냉각시킨 후 0.45 μm filter로 여과하여 최종 검체로 하였다.
- 커피 추출물 2 μL에 증류수 78 μL를 첨가한 후 Folin-Ciocalteu phenol reagent(Sigma Aldrich Co., St. Louis, MO, USA) 20 μL를 각각 첨가하고 실온에서 5분간 반응시켰다.
- 카페인은 278 nm, 클로로겐산은 330 nm에서 측정하였다. 표준용액 제조는 카페인과 클로로겐산(Sigma Aldrich Co., St. Louis, MO, USA)을 각각 1,000 ppm으로 만든 다음 각각5, 10, 20, 50 ppm으로 만들어 표준곡선을 작성한 다음 시료에 대해서 농도를 측정하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 3종의 커피 생두는 브라질 미나스 제라이스 주의 세라도 지역에서 생산된 버번 스페셜티(Brazil bourbon specialty, Cerrado, Brazil), 인도네시아 북 수마트라 지역에서 생산된 만델링 프리미엄(Indonesia mandheling premium G1, Tapanuli, Indonesia) 그리고 케냐 기암부 지역에서 생산된 타투 스페셜티(Kenya AA tatu specialty,Kiambu, Kenya)로 모두 2013년에 수확되어 수입된 Arabica 품종이었다.
- 분석기기로서는 Aglient 1200 HPLC system(Aglient Technologies, Palo Alto, CA, USA)을 사용하였고, column은 reverse-phase column Pinnacle C-18(Restek, Bellefonte, PA, USA)(250×4.6 mm, 5 μm id)을 사용하였다.
- 분석에 사용된 전자코는 두 개의 column(100 μm id #DB5,100 μm id #DB1701)과 두 개의 flame ionization detectors(FID)에 연결되어 있었다.
- 이동상은 1% formic acid(solvent A)와 HPLC grade methanol(solvent B)를 유속 1 mL/min로 흘렸으며, B용매의 비율을 2%에서 시작하여 20분 후에 32%, 30분 후에 40%, 40분 후에 95%가 되게 하였다. 카페인은 278 nm, 클로로겐산은 330 nm에서 측정하였다. 표준용액 제조는 카페인과 클로로겐산(Sigma Aldrich Co.
- 커피 생두는 반열풍식인 후지로얄 샘플 로스터(Type R-002BZB, Fuji Coffee Machine Manufacture Co., Tokyo, Japan)를 이용하여 각각 200 g의 생두를 180℃에서 투입하였다. 생두를 투입하면 드럼의 온도는 급격히 떨어진 다음 다시 온도가 올라간다.
데이터처리
- 생두의 배전 조건에 따른 이화학적 평가 결과에 대해 시료간의 유의적 차이를 검사하기 위하여 분산분석(analysis of variance, ANOVA)을 실시하였으며, 그 결과에 따라 p<0.05 수준에서 Duncan의 다중 범위 검정(Duncan's multiple range test)을 실시하였다.
이론/모형
- ABTS 라디칼 소거능은 Re 등(18)의 방법에 따라 측정하였다. ABTS 라디칼 용액은 3.
- 생두와 원두의 수분함량은 상압가열건조법(15)에 따라 시료 1 g을 105℃에서 5회 반복하여 측정한 후 평균값으로 나타내었다.
- 카페인 및 클로로겐산의 함량은 두 성분을 동시에 분석 할 수 있는 Hecimovic 등(16)의 방법에 따라 분석하였다. 커피 생두와 조건별로 배전한 커피 2 g을 정확히 평량하여 뜨거운 증류수(96℃) 20 mL를 더한 후 15분 동안 hot plate에서 추출하였으며, 상온에서 냉각시킨 후 0.
성능/효과
- 클로로겐산은 생두에서 가장 높았으며, 배전의 강도가 강해짐에 따라 감소하였다. ABTS와 DPPH 라디칼 소거능은 생두보다는 배전 후의 원두에서 더 높았으며, 배전의 강도가 강해짐에 따라 감소하였다. 따라서 항산화력을 유지하기 위해서는 지나치게 높은 온도에서 배전하는 것보다는 낮은 온도에서 약배전하는 것이 바람직한 것으로 사료된다.
- 따라서 항산화력을 유지하기 위해서는 지나치게 높은 온도에서 배전하는 것보다는 낮은 온도에서 약배전하는 것이 바람직한 것으로 사료된다. GC를 기초로 한 전자코를 활용하여 커피의 향기패턴을 분석한 결과 품종과 배전정도에 따른 향기패턴의 차이를 잘 구분할 수 있었다.
- DPPH와 ABTS 모두 라디칼의 환원력을 측정하는 실험으로 원리는 비슷하지만 ABTS는 극성, 비극성 물질에서 확인할 수 있으며, DPPH는 비극성 물질에서만 확인할 수 있다는 점에서 차이가 있다(7). 모든 시료에서 생두에 비해 배전 후 원두의 ABTS와 DPPH 라디칼 소거활성이 높았으며, 배전 정도가 높아짐에 따라 케냐의 ABTS 값을 제외하고는 소거활성이 감소하였다. 약배전에서 강배전으로 진행됨에 따라 DPPH 소거능은 브라질 버번은 36%, 인도네시아 만델링은 51%, 케냐의 타투는 42%의 감소를 나타냈다.
- 83분의 조건에서 약배전, 중배전, 강배전으로 배전하여 물리적 특성, 이화학적 성질, 항산화력 등을 조사하였다. 배전 온도가 증가함에 따라 무게와 밀도가 감소하였고, L*, a*, b*값이 감소하였다. 총 페놀함량은 생두보다는 배전 후의 원두에서 더 높았으며, 약배전과 중배전에서 가장 높았다.
- 클로로겐산의 한 종류인 5-CQA는 커피에서 polyphenol oxidase(PPO)의 기질이 되어 원두의 갈색화에 원인이 되는 o-quinones을 생성하는 것으로 밝혀졌으며(40), PPO의 작용은 또한 커피콩 세포막의 구조적 변화를 유발시켜 Rio-off-flavor의 원인이 될 수 있다고 한다(41). 배전 중 CQA의 함량 분석 결과는 Table 4에 보여주는 바와 같이, 세 품종 모두 생두에서 가장 높은 함량을 나타낸 CQA는 배전이 진행됨에 따라 감소하여 강배전 시 브라질 버번 77%, 인도네시아 만델링 86%, 케냐 타투에서 86%가 손실되었다. 이는 강배전 시 CQA가 93%의 손실되었다는 Farah 등(35)의 연구 결과와 강배전까지 진행되는 동안에 CQA의 83-93.
- 생두 및 원두의 수분함량, 중량 감소, 부피 증가, 밀도, pH의 변화는 Table 2와 같다. 본 실험에 사용된 커피는 모두 아라비카종으로 생두의 수분 함량은 브라질 버번이 11.0%로 가장 높았으며 인도네시아 만델링과 케냐 타투가 각각 7.8%, 9.0%로 나타났다. 커피의 수분 함량은 배전이 진행됨에 따라 급격히 감소되어, 배전 초기 3.
- Cho 등(7)은 배전하지 않은 생두와 비교하여 약배전한 원두에서 약 49%의 페놀이 더 검출되었으며, 강배전했을 때에도 73%이상이 보존되었다고 보고하였다. 본 연구결과에서도 강배전 시 총 페놀함량이 다소 감소 하는 경향을 보였으나 약배전의 70~82%가 유지되어 비슷한 결과를 나타냈다. Chism과 Haard(36)는 초기 배전 시 페놀 함량의 증가는 열가공에 의해 세포 구성분의 물리적 파괴가 일어나 생두 내부에 있던 항산화물질들이 방출되기 때문이며, 배전 정도가 강해짐에 따라 활성화되는 효소에 의해 페놀 함량이 감소된다고 보고하였다.
- 커피의 배전 과정에서 중량 손실은 초기에는 주로 수분 손실에 기인하였다가 배전 말기에는 탄수화물 또는 minor 화합물들의 열분해 반응과 휘발성 물질들의 손실에 의한 것으로 보고되었다(22). 본 연구에서는 약배전 시 7.5~10.0%, 중배전 시 14.5~15.0% 중량이 감소되었다가 배전 과정이 끝났을 때에는 브라질 버번, 인도네시아 만델링, 케냐 타투가 각각 19.0%, 18.5%, 18.0%의 중량 손실을 보였다. 이는 Oosterveld 등(23)이 아라비카 품종을 약, 중, 강배전했을 때 각각 11%, 15％, 22%의 중량이 손실되었다고 보고한 것이나 Franca 등(24)이 각각 7.
- 품종별 커피 생두와 원두의 배전 정도에 따른 카페인함량은 Table 4와 같다. 브라질 버번과 인도네시아 만델링에서 생두는 각각 7.4 mg/g, 7.3 mg/g의 카페인을 함유하였고, 브라질 버번은 약배전의 경우 9.4 mg/g에서 강배전의 경우 11.1 mg/g으로 증가하였으며, 인도네시아 만델링은 약배전의 경우 9.0 mg/g에서 12.2 mg/g으로 증가하여 배전시 유의적인 차이로 증가하였다. 케냐 타투의 경우 약배전시 6.
- 전자코 분석 결과 향기의 차이는 그래프 상 거리와 방향의 근접성에 따라 판단되는데 가까운 점들은 서로 유사한 향기를 가지고 있으며 반대로 서로 다른 방향과 거리가 먼 위치의 점들은 유사성이 없는 향기로 나타난다. 시료간의 차별성이 큰 제 1 주성분 값을 비교할 때 배전이 진행됨에 따라 브라질 버번, 케냐 타투 및 인도네시아 만델링 시료 모두 향기패턴의 차이를 확연히 보이며 배전이 진행됨에 따라 제 1 주성분 값이 작아지는 것을 볼 수 있었다. 이러한 결과들은 커피 생두의 품종에 따른 향기패턴 분석이 가능하고, 추가적으로 배전 시간에 따라서도 향기패턴이 달라짐을 보여준다.
- 모든 시료에서 생두에 비해 배전 후 원두의 ABTS와 DPPH 라디칼 소거활성이 높았으며, 배전 정도가 높아짐에 따라 케냐의 ABTS 값을 제외하고는 소거활성이 감소하였다. 약배전에서 강배전으로 진행됨에 따라 DPPH 소거능은 브라질 버번은 36%, 인도네시아 만델링은 51%, 케냐의 타투는 42%의 감소를 나타냈다. Cho 등(7)은 커피의 플라보노이드(flavonoids)는 열처리에 의해 쉽게 파괴되어 강배전할 경우에는 23%의 플라보노이드만 남아있게 된다고 보고하였다.
- 시료간의 차별성이 큰 제 1 주성분 값을 비교할 때 배전이 진행됨에 따라 브라질 버번, 케냐 타투 및 인도네시아 만델링 시료 모두 향기패턴의 차이를 확연히 보이며 배전이 진행됨에 따라 제 1 주성분 값이 작아지는 것을 볼 수 있었다. 이러한 결과들은 커피 생두의 품종에 따른 향기패턴 분석이 가능하고, 추가적으로 배전 시간에 따라서도 향기패턴이 달라짐을 보여준다. 이는 배전이 진행됨에 따라 커피의 향기성분이 달라지기 때문에 커피 생두의 배전과정 중에 이러한 향기성분의 변화를 전자코 분석 방법을 통하여 구분할 수 있음을 보여준다.
- 커피의 배전 중 밀도의 감소는 부피의 증가, 내부 가스의 생성, 열분해 반응, 휘발성분의 손실에 의한 중량감소에 의한 것으로 보고되었다(26). 중배전한 시료에서 케냐 타투는 생두에 비해 50%, 브라질 버번은 48.5%, 인도네시아 만델링은 46.4%가 감소하였다 (Table 2). 이는 생두의 상태에 따라 40~60%의 감소를 보였다는 Franca 등(24)의 결과나 35~44%의 감소를 보였다는 Jokanovic 등(25)의 결과와 비슷하였다.
- 커피 생두와 배전중 총 페놀함량 분석 결과는 Table 4과 같다. 총 페놀함량은 브라질 버번, 인도네시아 만델링, 케냐 타투의 생두에서 각각 21.3, 20.6, 23.1 mgGAE/g이었으며 약배전 시 브라질과 케냐는 가장 높은 함량(36.2, 26.1 mgGAE/g)을 보였다. 이는 약배전 시 총 페놀함량이 42.
- 배전 온도가 증가함에 따라 무게와 밀도가 감소하였고, L*, a*, b*값이 감소하였다. 총 페놀함량은 생두보다는 배전 후의 원두에서 더 높았으며, 약배전과 중배전에서 가장 높았다. 카페인 함량은 강배전한 시료에서 가장 높았다.
- CIE체계로 측정한 커피 생두와 원두의 색도의 변화는 Table 3과 같다. 커피 생두의 L*값은 브라질 버번과 인도네시아 만델링이 각각 57.1, 56.9이었으며, 케냐 타투가 67로가장 밝게 나타났다. a*값은 적색과 녹색, b*값은 청색과 황색을 묘사하는 것으로 생두의 전형적인 green-yellow zone에서 약배전과 중배전 시 red-orange로 이동하였다가배전 온도와 시간이 증가함에 따라 borwn zone으로 이동함을 보여주었다.
- 커피의 배전 중 pH의 변화는 약배전할 때 브라질 버번은 5.2, 인도네시아 만델링은 4.9, 케냐 타투가 5.0이었으며, 중배전, 강배전으로 갈수록 유의적인 차이를 보이며 증가했다(Table 2). Illy 등(28)에 따르면 배전 강도에 따라 추출한 커피의 pH가 4.
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