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제목 VST 사의 (전자식) 굴절계 특허에서 나타난 커피와 물의 양, 추출 수율과 농도의 관계
작성자 커피리브레 (ip:)
  • 작성일 2017-10-10
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  • 조회수 83
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제시 : VST 사의 (전자식) 굴절계 특허에서 나타난 커피와 물의 양, 추출 수율과 농도의 관계

 

내용 :

Voice System Technology (VST) 사는 2008년 커피 굴절계 측정 기기 및 이를 사용한 측정법에 관해 특허를 제출하였다 (US 7,952,697, 2011.05.31공표). 공개된 전문에서는 측정 기기의 구조, 작동 알고리즘, 커피액의 굴절율 및 농도 추출 수율과의 관계, 그리고 그 바탕이 되는, 스페셜티 커피에서의 적정 추출 수율에 관한 당시까지의 논의에 대해 상술하고 있다. 공개된 내용을 기반으로, 커피와 물의 양, 추출 수율과 농도의 관계에 대해 간략히 확인해 보고자 한다.

 

* 추출 수율(extraction yield)은 추출 과정에서 뽑혀 나오는 커피 성분의 양을 원 커피의 양으로 나눈 건조 무게비로서 % 단위로 나타낸다. 분쇄 커피의 경우 비수용성으로 70%를 차지하는 셀룰로오스 성분을 제외한 최대 30% 의 고형분이 추출될 수 있는 것으로 알려져 있지만, 적합한 음료 품질을 낼 수 있는 추출 수율은 한정적이다. 1950년대와 1960년대에 걸쳐 진행된 추출에 관한 실험을 통해, 18-22%의 추출 수율에서 가장 품질이 좋은 커피음료를 만들 수 있다는 결론이 나왔으며, 이는 전세계적으로 인정되었다. 일반적으로 22% 초과 수율에서는 쓴맛을 내는 과잉 추출형 나쁜 성분이 크게 늘어나며 18% 미만 수율에서는 과소 추출에 의한 약한 맛이 난다고 알려져 있다.

 

* 추출 주기의 첫 30-50% 동안은 단맛 성분이 보다 많이 녹아 나오며 후반부에는 쓴맛 성분이 보다 많이 녹아 나온다. 최고 품질의 커피는 향이 풍부하고 바디가 꽉 차 있으며 향미가 섬세하고 깔끔하면서 특유의 커피 특성이 나타나면서 이들 속성이 모두 최적의 균형을 이루는 것으로서 이를 위해서는 추출 과정이 상당한 정도로 정밀해야 한다.

 

* 추출 농도(strength, soluble concentration) 는 최종 커피 용액에 녹아든 고형분의 양에 대한 무게비로서 통상 녹아들어간 총 고형분(total dissolved solid, TDS) % (% TDS)로 나타낸다. 커피액 100g TDS 값이 1.3%이면 커피 고형분이 1.3g, 물이 98.7g 있는 것을 말한다.

 

* 굴절율 지수(refractive index) 1940년대부터 식품 산업의 공정 관리용으로 사용되었다. 초기에는 멜론이나 오렌지 등의 과실에서 당분 측정, 와인 산업에서 포도의 당분 측정 등에 쓰였다.

 

* TDS 측정 및 전자식 커피 굴절계 구조에 대해서는 선행 자료에서 공개되어 있다. 전자식 커피 굴절계는 광원과 프리즘과 샘플이 맞닿아 계면을 이룰 수 있도록 한 측정구, 반사되어 나온 빛을 수용하는 광 센서, 샘플의 온도를 측정할 수 있는 온도계, 광 센서의 값과 온도계의 값을 토대로 수치를 보정하고 저장된 공식을 사용하여 결과값을 도출해 낼 수 있는 프로세서, 기타 저장장치 및 출력장치로 이루어져 있다.

 

그림 1 Coffee Brewing Center (CBC) 에서 제시한 추출 공식 관련 그래프로서 가로축은 일정량의 커피(1 파운드)에 대해 사용된 물의 양(갤런) 을 나타내고 있다. 1 파운드를 453.6g, 1갤런을 3785.4ml 로 환산할 경우 가로축의 값에다 8.345 를 곱하면 커피 1g 당 사용한 물의 양을 ml 로 나타낼 수 있다. 일반적인 1인분 드립 커피의 양으로 알려져 있는 12g 을 커피의 양으로 적용할 경우, 가로축의 값에다 약 100 을 곱한 값이 물의 양이 되어 보다 편하게 볼 수 있다. 결과적으로, 가로축의 값은 드립 커피 한 잔을 만들 때 커피 12g 을 사용한다고 가정하고, 이때 사용되는 물의 양을 100ml 단위로 표현한 것이다. 1 100 ml, 2 200 ml 를 사용한 것이다.

 

세로축은 농도, 즉 수용성 성분이 녹아든 양으로서 % 단위를 나타내고 있다. 그래프 내 곡선은 수율을 나타내는 것으로 % 단위이다. 수율이 5% 라면 커피 12g 0.6g, 10%라면 커피 12g 1.2g 이 수용성 성분으로 녹아나왔다는 뜻이 된다. 앞서 글에서 커피의 수율이 30%까지 나타난다고 했지만, 위 그림에서는 5%에서 40%까지 나타나 있다.

 

그림 위쪽의 105, 110 a, b, c 와 같은 지시기호로서 특허 문서에서는 위와 같이 숫자로 표현하는 경우가 많다. 105 는 미국 커피 협회(National Coffee Association, NCA) Brewing Committee 에서 제시한 적합 구간이고 110 Midwest Research Institute 에서 제시한 적합 구간이다.

 


그림 2 는 그림 1의 주요 부분을 확대한 것으로서 각 단체에서 제시한 적합 구간의 범위를 안내해 주고 있다. 그림 1과 그림 2에서 주목할 것은 두 가지로 볼 수 있다. 하나는 이것이 물의 양과 농도, 수율이라는 세 가지 미지수에 대한 3원 방정식이라는 것으로, 어느 두 가지가 정해지면 나머지 한 값을 알 수 있다는 것이다. 예를 들어, 위 그림 1에서 언급했던 것처럼 커피 12g 을 쓴다고 가정한 상황에서(그러면 가로축의 값에 100을 곱하면 물의 양이 된다.) 물을 2.00, 200ml 했고 커피액의 농도가 1% 를 약간 넘게 나왔다면, 수율은 15% 로 나온다. 물을 2.50, 250ml 사용했고 수율이 20% 이라면 농도는 1.10% 가 될 것이다. 즉 이론적으로는 위 세 가지 미지수 중 어떤 것이든 두 가지를 알 때 나머지 한 가지를 알 수 있다. 다만 측정이 쉬운 것은 가로축의 물의 양과 세로축의 농도이고, 곡선인 수율은 측정하기가 상당히 까다롭고(커피액과 커피를 모두 바싹 말려야 측정할 수 있다) 측정 작업을 통해 커피 음료 자체가 사라져 버린다는 점을 감안하면, 이 그래프는 결국 물의 양과 농도, 그리고 가정의 기반이 되는 커피의 양을 알 때 나타나는 수율을 표현한 것임을 알 수 있다. 나아가, 일정량의 커피와 물을 사용했을 때, 다양한 농도, 다양한 수율의 음료를 만들어 낼 수 있지만 (이것은 당연하다) 이때 농도와 수율은 일정한 관련성을 맺고 있다는 점, 실험에서 나타내는 방식의 추출(수용성 물질에 한정하는 추출)에서는 커피의 양과 물의 양이 정해졌다면 농도는 높은데 수율은 낮은 커피음료를 만드는 것은 불가능하다는 점 (즉 비수용성 물질을 끌어 오는 추출방법을 쓰는 등의 형태로 극복할 수 있을 것이다) 을 알 수 있다. 농도는 높은데 수율은 낮은 커피음료를 제조하고자 한다면, 음료 제조에 사용되는 물의 양을 줄여야 (또는 커피의 양을 늘여야) 하고 수율은 높은데 농도는 낮은 커피음료를 제조하려면 음료 제조에 사용되는 물의 양을 늘여야 (또는 커피의 양을 줄여야) 한다.  

 

다른 한 가지 주목할 것은 각 단체에서 제시한 적합 구간이 가로축의 수치(물의 양)와 세로축의 수치(농도)에 따른 직사각형이 아니라 수율(곡선)과 세로축의 수치(농도) 에 따라 나타난다는 것이다. 이는 곧 좋은 추출이라는 관점에서는 추출 수율의 중요도가 크다는 것을 의미한다. 전체 추출 수율 범위 중 적합 추출 수율의 범위는 4-5% 정도로 그다지 넓지 않으며, 전체 농도 중 적합 농도 또한 그다지 넓지 않다. 우리가 각 단체에서 제시한 이들 적합 구간을 받아들인다고 하면, 미지수 중 수율과 농도가 정해진 상태이므로 이번에는 역으로 음료 제조에 사용하는 커피의 양과 물의 양을 결정해야 한다. 그런데 그래프 내 적합 구간이 찌그러진 평행사변형에 가까운 형태라 알아 보기가 쉽지 않기 때문에, CBC 에서는 적합 구간을 추출 수율과 농도에 따른 직사각형 공간으로 다시 나타내었다. 이것이 그림 4A이다.

 


그림 4A에서는 NCA 에서 제시한 적합 구간을 나타내고 있다. 적합구간을 중심으로 8개의 비적합구간이 나타나는데, 농도에 따른 위 아래 구간에서는 맛의 강도가 달리 나타나고, 수율에 따른 좌 우 구간에서는 맛의 속성이 달리 나타난다. 농도가 보다 높으면 진한 느낌이, 보다 낮으면 연한 느낌이 난다. 수율이 보다 높으면 쓴맛이 강하고, 보다 낮으면 맛 발현이 덜 된다.

 

사선으로 표현된 것은 그림 1과 그림 2에서 가로축으로 나타난 물의 양을 말한다. 앞서와 같이, 커피 1잔에 12g 을 사용한다고 할 경우 위 사선 수치는 사용하는 물의 양을 100ml 단위로 표현한 것이 된다. 여기서 알 수 있는 것은, 적합 구간을 만족하는 물의 양이 비교적 범위가 좁다는 것, 적합 구간을 만족할 경우 특정한 물의 양에서 나타낼 수 있는 농도는 한정적이라는 것, 그리고 적합 수율 전체에 적용할 수 있는 물의 양을 잡기는 불가능하다(!) 라는 것이다. 예를 들어 물 200ml 를 사용한다면, 적합 구간을 만족하는 농도는 1.25-1.35% 정도이며 물 250ml 를 사용한다면, 농도 1.15% 가 나와야만 적합 구간에 걸칠 수 있다. 그리고 직사각형의 형태와 사선의 기울기상으로, 적합 구간 내에서 가로축 수치 전체를 관통하는 사선, 곧 모든 수율에 적합한 물의 양은 존재하지 않는다. 그리고, 400ml 를 사용한다면, 결코 적합구간을 만족하는 커피를 만들 수 없다. 위 그래프에서는, 커피 한 잔을 만드는데 커피를 12g 사용했다면, 사용하는 물의 양은 대략 180-250ml 여야 적합 구간을 만족한다는 점을 알려 준다.

 

실용적인 면에서 보다면, 여기에 더하여 다음과 같은 점을 가정할 수 있다. 우리가 사용하는 통상의 추출법에서 음료 농도가 대개 0.8-1.5% 로 나타난다면, 위 그래프는 각 사선 길이에 대한 적합구간 내 사선 길이의 비인 확률값으로 나타낼 수 있다. 200ml 를 사용한다면, 적합 구간 대 전체 구간의 비는 1.1:6.4 로서, 적합 구간에 해당되는 부분은 17.2% 이다. 비수용성 물질을 뽑아 내는 방식이 아닌 기본적인 추출법이라면 어떤 방식으로 뽑던 간에, 주의를 기울이지 않은 상황에서는 여섯 잔 중에 한 잔 꼴로 적합 구간에 해당하는 커피가 나온다는 것으로 넓게 해석할 수 있다. 그에 비해 물 250ml 를 사용한 경우라면, 적합 구간 대 전체 구간의 비는 0.1 : 7 정도로서, 적합 구간에 해당되는 부분이 1.43%에 불과하다. 특별한 주의를 기울이지 않는다면 여기에서 좋은 커피를 만들어 내기란 쉽지 않을 것이다. 사용자가 적합 구간을 받아들이는 한, 가능하다면 확률이 높은 쪽, 즉 적합 구간에 걸치는 선 길이가 긴 쪽을 택하는 것이 좋을 것이다. 위 그래프에서는 대략 215-225ml 의 물을 사용하는 것이 좋은 것으로 보인다. 커피의 양은 12g 으로 정한 상태이므로, 이는 결국 권장하는 커피:물의 비는 ( 1ml 를 그대로 1g 으로 환산하면) 12:215-225, 1:18-18.7 임을 나타낸다.

 

한편, 위 그래프는 물의 비중을 1, 온도를 상온으로 가정한 상태에서 나타낸 것이다. 물의 온도는 물의 비중뿐만 아니라 음료 제조시의 여러 변수에 영향을 미치며 일반적인 농도 측정 기기의 측정값에도 영향을 준다. 실제 음료 제조시는 온도가 그보다 훨씬 높을 것이고, 사용자는 대개 음료 온도를 실온까지 내린 뒤 농도를 측정하기보다는 제조한 즉시 농도를 측정하고 싶어하며, 실제로 많은 경우 음료 온도가 높은 상황에서 농도를 측정한다. 이러한 점 때문에 측정 농도에 온도에 따른 오차값을 보정할 필요가 있다.

 

인용 문헌 :

Fedele, V., Gaudet, P., & Raguin, D. H. (2011). U.S. Patent No. 7,952,697. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.

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