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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 커피 추출의 기본 단계라고 할 수 있는 커피 분쇄입도 조건에 따라 변화되는 커피 추출물의 이화학적 품질특성 및 향기성분을 분석함으로써 커피 품질평가에 관한 기초자료로 활용하고자 하였다.
- 커피의 분쇄는 최적의 맛과 향을 가진 커피 추출의 시작단계이며 볶은 커피와 물이 닿는 표면적을 넓혀 가용성 및 유화 물질을 용이하게 추출하는 것이다. 또한, 원두커피 조직에서 세포의 CO2 가스와 휘발성 향기 방출을 빠르게 하면서 향기성분을 쉽게 추출할 수 있도록 하는 것이 목적이다(4). 커피 분쇄입도는 너무 굵으면 물과 접촉하는 입자면적의 양이 적고 물이 커피 층을 투과하는 시간이 빨라져서 맛이 가볍고 커피 자체의 맛과 향이 줄어든다.
제안 방법
- Injector와 detector 온도는 각각 230°C와 250°C로 하였으며 carrier gas는 helium을 사용하여 2.2 mL/min으로 하였고 시료의 주입은 splitless 모드를 사용하여 1 μL로 주입하였다.
- SDE법에 의한 휘발성 성분의 추출은 Schultz 등(22)의 방법에 따라 커피입자 크기별로 사별된 시료 100 g에 Milli Q water(Millipore, Milford, CT, USA) 1 L를 혼합하고 정량분석을 위해 내부표준물질로 2-heptanone 1 μL(99%,Sigma-Aldrich Co.)를 첨가하여 개량된 연속 수증기 증류 추출장치(Likens & Nickerson type simultaneous steam distillation and extraction apparatus, SDE)에서 재증류한 n-pentane(99.9% purity, J.T. Baker Co.)과 diethyl ether(99.9% purity, J.T. Baker Co.) 혼합용매(1:1, v/v) 100mL를 사용하여 상압 하에서 2시간 동안 휘발성 정유 성분을 추출하였다.
- UV detector의 파장은 280 nm를 사용하였으며 시료의 주입량은 20 μL, 칼럼의 온도는 25°C로 하였고, 각각의 표준물질을 10~1,000 ppm으로 분석하여 검량선을 작성한 다음 시료에 대해서 농도를 측정하였다.
- 표준물질로 gallic acid를 사용하여 검량선을 작성한 후 총폴리페놀 함량은 시료 1 mL당 mg gallic acid equivalent(GAE)로 나타내었다. 그리고 모든 시료에 대하여 3회 반복 측정하였다.
- 먼저 커피입도의 크기는 Control과 표준체 사이즈 850, 600, 425 μm를 기준으로 5가지의 크기로 구분하여 각각의 커피입도 크기에 따라 coarse size(850 μm 이상), medium size(850~600 μm),fine size(600~425 μm), very fine size(425 μm 이하)로 구별하여 시료로 사용하였다.
- 칼럼은 GC와 사용하였던 것과 동일한 것을 사용하였고 그 외의 분석조건도 동일하였다. 분리된 성분은 mass spectrum library(Wiley/7N)로 확인하였고, C8~C20의 nalkane mixture(Sigma-Aldrich Co.)를 사용하여 retention index(RI)를 계산하였다. 확인된 휘발성 항기성분의 정량은 내부표준물질로 첨가된 2-heptanone과 동정된 향기 성분의 peak area를 이용하여 시료 1 kg에 함유된 휘발성 향기성분을 상대적으로 정량하였으며, 정량을 위해 사용된 내부표준물질과 동정된 각 화합물의 검출기 내에서의 response factor 등은 고려하지 않았다.
- 분리된 화합물의 이온화는 electron impact ionization(EI) 방법으로 행하였으며, ionization voltage와 ion source의 온도는 각각 70 eV와 230°C로 설정하였고 분석할 분자량의 범위는 40~350(m/z)으로 설정하였다.
- 사용한 칼럼은 DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm, J&W Scientific, Folsom, CA,USA)였으며, 오븐조건은 40°C에서 3분간 유지시키고 3°C/min으로 승온시켜 120°C까지 올려준 후 10°C/min으로 230°C까지 상승시켰다.
- 색도는 추출된 커피 10 mL를 petri dish에 담아 고정시킨 후 색차계(CR300, Minolta, Osaka, Japan)를 사용하여 Hunter L 값(밝기), a 값(적색도), b 값(황색도)과 색차값(color difference,ΔE)을 측정하였다.
- 이 추출액에 무수 Na2SO4를 가하여 -4°C에서 24시간 탈수시키고 유기용매층은 Vigreux column(250mL, Normschliff, Wertheim, Germany)을 사용하여 약 2mL까지 농축하고 GC용 vial에 옮긴 후 질소가스 기류 하에서 0.5 mL까지 재농축하여 GC-FID와 GC/MS 분석시료로 사용하였다.
- 이동상은 1% acetic acid(J.T.Baker, Phillipsburg, NJ, USA)와 acetonitrile(Burdick &Jackson, Muskegon, MI, USA)을 1.0 mL/min의 유속으로 사용하였으며, gradient 조건은 1% acetic acid와 acetonitrile을 0분에서 40분까지 92:8에서 73:27의 비율로 변화시켰고, 40분부터 45분까지는 73:27을 다시 92:8로 변화시켰다.
- 커피 추출 시료의 갈색도는 Bravo 등(19)의 방법을 응용하여 추출된 커피시료를 3차 증류수로 40배 희석하여 420nm에서 분광광도계(UV-1800, Shimadzu, Tokyo, Japan)를 이용하여 흡광도를 3회 반복 측정하였다. 색도는 추출된 커피 10 mL를 petri dish에 담아 고정시킨 후 색차계(CR300, Minolta, Osaka, Japan)를 사용하여 Hunter L 값(밝기), a 값(적색도), b 값(황색도)과 색차값(color difference,ΔE)을 측정하였다.
- 커피생두는 회전식 로스터(MK-300, JC Company, Seoul,Korea)를 이용하여 220°C에서 15분간 로스팅 한 중강배전(시티-풀시티 중간상태) 상태의 원두를 커피용 분쇄기(80350, Hamilton Beach Brands, Inc., Glen Allen, VA,USA)를 사용하여 분쇄하였다.
- )를 사용하여 retention index(RI)를 계산하였다. 확인된 휘발성 항기성분의 정량은 내부표준물질로 첨가된 2-heptanone과 동정된 향기 성분의 peak area를 이용하여 시료 1 kg에 함유된 휘발성 향기성분을 상대적으로 정량하였으며, 정량을 위해 사용된 내부표준물질과 동정된 각 화합물의 검출기 내에서의 response factor 등은 고려하지 않았다.
대상 데이터
- 색도는 추출된 커피 10 mL를 petri dish에 담아 고정시킨 후 색차계(CR300, Minolta, Osaka, Japan)를 사용하여 Hunter L 값(밝기), a 값(적색도), b 값(황색도)과 색차값(color difference,ΔE)을 측정하였다. 모든 시료에 대하여 3회 반복 측정하였으며, 사용된 표준색판은 백색판(L=93.50, a=0.31, b=0.32)을 사용하였다.
- 본 실험에 사용한 커피 생두는 2016년산 브라질 산토스지방에서 재배된 NY2 등급의 커피콩(Brazil santos NY2,SC company, Gyeonggi, Korea)을 사용하였다. HPLC 분석에 사용된 acetonitrile과 water는 Fisher Scientific(Asheville, NC, USA)에서 구입하였으며, caffeine, chlorogenicacid, Folin-Ciocalteu’s phenol reagent 및 sodium carbonate는 Sigma-Aldrich Co.
- 분석기기로서는 Shimadzu 2030C HPLC system(Shimadzu)을 사용하였고, column은 Shim-pack GIS ODS(250×4.6mm, 5 μm i.d.)를 사용하였다.
- 분쇄된 원두는 850 μm(No. 20), 600 μm(No. 30), 425 μm(No. 40)의 표준체를 사용하여 입자 크기를 whole bean(Control), 850 μm 이상(coarse), 850~600 μm(medium), 600~425 μm(fine), 425 μm 이하(very fine)의 크기가 되도록 사별하여 시료로 사용하였다.
- 2 mL/min으로 하였고 시료의 주입은 splitless 모드를 사용하여 1 μL로 주입하였다. 성분 동정을 위한 GC-MS 분석은 Agilent 6890N GC에 연결된 Agilent 5975N MSD를 사용하였고 carrier gas로는 helium gas를 1 mL/min의 속도로 흘려보냈다. 분리된 화합물의 이온화는 electron impact ionization(EI) 방법으로 행하였으며, ionization voltage와 ion source의 온도는 각각 70 eV와 230°C로 설정하였고 분석할 분자량의 범위는 40~350(m/z)으로 설정하였다.
데이터처리
- 통계처리는 SAS(Statistical Analysis System, Ver. 8.01, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA) 프로그램을 이용하여 각 측정군의 평균과 표준편차를 산출하고 처리 간의 차이 유무를 one-way ANOVA(analysis of variation)로 분석한 후 Duncan’s multiple range test를 이용하여 유의성을 검정하였다.
이론/모형
- SDE 방법으로 추출, 농축된 정유의 휘발성 성분 분석은 GC-FID(Agilent 6890N, Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)를 사용하였다. 사용한 칼럼은 DB-5MS(30 m×0.
- 분쇄입도를 달리한 커피원두는 SCAA Protocols법(17)을 이용하여 추출하였다. 커피시료 8.
- 총페놀 함량은 Dewanto 등(20)의 방법에 따라 FolinCiocalteu’s reagent가 시료의 폴리페놀성 화합물에 의해 환원된 결과 몰리브덴 청색으로 발색하는 것을 원리로 측정하였다.
- 카페인 및 클로로겐산의 함량은 두 성분을 동시에 분석할 수 있는 Hečimović 등(21)의 방법을 이용하여 분석하였다. 분석기기로서는 Shimadzu 2030C HPLC system(Shimadzu)을 사용하였고, column은 Shim-pack GIS ODS(250×4.
성능/효과
- Table 3은 커피입자 크기에 따른 커피 추출물의 총페놀 함량을 나타내었다. 5가지 크기의 커피입자 추출물로부터 얻은 커피의 총페놀 함량이 1.55~4.54 mg GAE/mL 범위를 나타내었다. 분쇄입도가 제일 작은 very fine size 입도(425μm 이하)에서 추출한 커피가 4.
- pH는 Control(4.84±0.04)과 비교하여 분쇄입도가 미세한 fine 및 very fine 입도가 5.18±0.03, 5.15±0.05로 높은 pH 값을 나타내었으며,medium, coarse 입도의 경우 5.14±0.05, 5.06±0.05로 P<0.001 수준에서 분쇄입도가 커질수록 pH는 감소하였다.
- Aldehyde류 휘발성 화합물은 저분자량일 때 자극적이며 불쾌한 냄새를 발생시키나 분자량이 C8에서 C10으로 증가할수록 기분 좋은 과실향 및 좋은 꽃향기를 발현한다고 알려져 있다(33). 따라서 본 연구 결과에서 확인된 aldehyde류 휘발성 화합물(furfural, 5-methylfurfural)의 RI 지수는 832, 962로서 분자량이 C8에서 C10 범위의 고급 커피 휘발성 화합물로 확인하였으며, 함량은 0.9~4.1, 1.5~6.6 mg/kg으로 분쇄입도가 작을수록 증가하는 경향을 나타내어 hydrocarbon류 휘발성 화합물과 같이 커피의 고급 휘발성 화합물의 주요 구성성분임을 확인하였다. 또한, 유기산과 알코올이 서로 반응하여 생성된 ester류 휘발성 화합물(furfuryl acetate, methyl salicylate)도 본 연구 결과에서 Control보다 처리구에서 높은 함량이 확인되어 전체적으로 커피의 분쇄입도가 작을수록 커피의 휘발성 향기성분 함량이 높은 것을 알 수 있었다.
- 6 mg/kg으로 분쇄입도가 작을수록 증가하는 경향을 나타내어 hydrocarbon류 휘발성 화합물과 같이 커피의 고급 휘발성 화합물의 주요 구성성분임을 확인하였다. 또한, 유기산과 알코올이 서로 반응하여 생성된 ester류 휘발성 화합물(furfuryl acetate, methyl salicylate)도 본 연구 결과에서 Control보다 처리구에서 높은 함량이 확인되어 전체적으로 커피의 분쇄입도가 작을수록 커피의 휘발성 향기성분 함량이 높은 것을 알 수 있었다. 그러나 Vitzthum과 Werkhoff(34)는 methoxypyrazine이 커피원두의 향기성분 중에서 가장 특징적인 성분으로서 역할을 한다고 보고하였으며, Grosch(35)는 커피 향기성분 농도 및 odor activity values(OAVs)가 높은 8가지 성분들, 즉 2-furfurylthiol, β-damascenone, 3-mercapto-3-methylbutyl formate, 3-methylbutanal, 2-methylpropanal, methanethiol, 5-ethyl-4-hydroxy-2-methyl-3(2H)-furanone 및 2-methylbutanal 등이 중요 휘발성 화합물이라고 보고하였다.
- 분쇄입도가 제일 작은 very fine size 입도(425μm 이하)에서 추출한 커피가 4.54±0.03 mg GAE/mL로 가장 높은 값을 나타내었고, Control에서 1.55±0.11 mgGAE/mL로 가장 낮은 총페놀 함량을 나타내었다.
- 이러한 결과는 커피의 분쇄입도가 작을수록 에스프레소 커피의 고형분 함량과 아로마 화합물의 추출수율이 높다는 Andueza 등(4)의 결과와 같은 경향을 나타내었다. 분쇄입도에 따른 커피 원두의 휘발성 화합물 중 향기성분의 약 70%를 차지하는 화합물은 alcohol류와 hydrocarbon류로 나타났으며, 휘발성 화합물은 선호도가 떨어지는 향을 내는 2-furanmethanol(탄향), 2- acetylfuran(식초향), 4-vinylguaiacol(나무향)을 비롯하여 커피의 고급 휘발성 화합물인 너트향을 내는 methylpyrazine, 아몬드향을 내는 furfural, 땅콩버터향을 내는 ethylpyrazine, 카라멜향을 내는 5-methylfurfural, 과일향을 내는 furfuryl acetate, 민트향을 내는 methyl salicylate를 확인하였다. Alcohol류 휘발성 화합물(2-furanmethanol과 4-vinylguaiacol)은 커피 원두 입자가 작아질수록 함량이 감소하는 경향(47.
- 분쇄입도에 따른 커피 원두의 휘발성 화합물을 분석한 결과 총 26종의 휘발성 화합물 중 hydrocarbon류 15종, alcohol류 2종, aldehyde류 2종, ester류 2종 및 acid류 2종으로 구성된 23개의 화합물을 동정하였다(Table 4, Fig. 3). 전체적으로 향기성분의 총함량은 Control(25.
- 이상의 결과를 볼 때 커피에서 항산화력이 높은 페놀 화합물을 섭취하고자 하는 경우에는 추출방법에 상관없이 커피 분쇄입도를 fine size 입도(600~425 μm) 이하로 분쇄하여 추출하면 적합할 것으로 생각된다.
- 3). 전체적으로 향기성분의 총함량은 Control(25.1 mg/kg)에서 가장 적게 검출되었으며 medium, fine size 입도 및 very fine 입도 처리구(119.2, 104.7 및 108.4 mg/kg)에서 100mg/kg 이상 높게 검출되었다. 이러한 결과는 커피의 분쇄입도가 작을수록 에스프레소 커피의 고형분 함량과 아로마 화합물의 추출수율이 높다는 Andueza 등(4)의 결과와 같은 경향을 나타내었다.
- 총페놀 함량에서도 very fine size 입도(425 μm 이하)에서 가장 높은 총페놀 함량 값을 나타내어 카페인 및 클로로겐산 함량과 총페놀 함량과의 연관성이 있음을 나타내었다.
- 커피입자가 작아질수록 카페인 및 클로로겐산 함량은 증가하였으며, 카페인 함량은 분쇄입도가 제일 작은 very fine size 입도(425 μm이하)에서 733.0±31.3 μg/mL, 클로로겐산 함량은 fine size 입도(600~425 μm 이하)에서 395.0±6.3 μg/mL로 가장 높은 값을 나타내었다.
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