과학 다반사

4. 음료의 과학
4.5 커피와 차

 

  커피와 차는 기본적으로 매우 유사한 개념의 음료입니다. 뜨거운 물을 이용하여 커피 열매와 찻잎에 함유된 유, 무기물을 추출하여 만든 수용액 음료입니다. 차와 커피에는 다양한 방향성 화합물(aromatic compounds)이 함유되어 있습니다. 방향성 화합물은 향기를 가지는 화합물로, 일반적으로 휘발성을 가져서 후각 기관이 쉽게 냄새로 감지할 수 있는 화합물입니다. 커피와 차 모두 카페인이 주 활성 성분입니다. 특유의 향과 카페인이 커피와 차를 오랜 시간 많은 사람으로부터 기호 음료로 사랑받게 한 원인일 것입니다. 커피 열매의 씨앗(생두)을 가공한 원두에는 수백 가지의 화합물이 함유되어 있으며, 이 중 약 수십 가지의 화합물이 커피의 향을 결정한다고 합니다(Belitz H.-D. Grosch W. Schieberle P. (Eds.) ‘Aroma Substances’ in Food Chemistry 4th Revised and extended Edition, Springer, Berlin 2009, pp. 955-956, Ochiai N. et al. (2014) Multi-volatile method for aroma analysis using sequential dynamic headspace sampling with an application to brewed coffee. J Chromatogr,1371:65-73.). 커피의 향을 결정하는 분자는 로스팅 과정에서 형성됩니다(ACS Reactions, Why Does Your Coffee Taste and Smell Delicious?. 원래 커피 원두는 황녹색입니다. 이 황녹색 원두를 구워서 갈색의 원두로 만드는 과정을 로스팅이라고 합니다. 로스팅 과정에서 일어나는 첫 번째 화학반응을 “마이야르 반응(Maillard reaction)”이라고 합니다. 마이야르 반응은 음식물 내에 함유된 탄수화물과 아미노산이 열에 의해(150~200°C) 일어나는 화학반응입니다. 이때 형성되는 화합물이 멜로노이딘이라는 색소를 형성하게 되어 갈색으로 변하는 것입니다(Wang and Yao, Food Chemistry, Volume 2011, 128, 573-584). 마이야르 반응으로 멜로노이딘 색소가 형성되는 반응은 빵이나 과자, 팝콘 등 탄수화물이 풍부한 음식물을 가열할 때 많이 관찰됩니다. 마이야르 반응으로 멜로노이딘 외에 다양한 생성물(수백가지)이 형성될 수 있으며, 이 중 퍼퓨릴 머캅탄(2-furfurythiol)이라는 물질이 특유의 커피콩 냄새를, 트리고넬린(Trigonelline)이라는 물질이 커피의 쓴 맛의 주된 원인입니다. 마이야르 반응과 함께 캐러멜화 반응도 일어납니다. 170~200°C의 온도에서 탄수화물 성분이 열분해 과정과 고분자 과정을 통해서 일어나는 반응입니다. 고분자 반응에 함유되지 않은 분자는 단당류로 섞여 있으며, 캐러멜 특유의 향을 갖게 하는 다이아세틸(diacetyl)이 생성됩니다. 캐러멜화 반응에서도 갈변현상이 일어나지만, 아미노산과 탄수화물이 반응하는 마이야르 반응과는 다른 화학반응입니다. 
  로스팅하는 온도가 약 200°C를 넘어가면 커피 원두 속의 물들이 증발하며 원두가 갈라지고 바삭하게 됩니다(1차 클랙, 1st crack). 이 과정에서 원두의 크기가 두 배 가까이 커지게 됩니다. 온도가 약 220°C가 넘어가면서 커피 내 다양한 유기물이 산화되어 이산화탄소로 배출됩니다. 온도가 약 225°C에 도달하게 되면 커피 원두 내 섬유질(셀로로스) 성분이 분해되고 커피 원두 안의 카페올이라고 불리는 방향성 물질이 스며 나오게 됩니다(2차 크랙, 2nd crack). 이 방향성 유기물질이 커피 원두가 기름지게 하는 원인입니다. 유기물질의 특성상 친수성과 소수성을 다 지니고 있어서 에스프레소로 추출하면 상층의 크레마라 불리는 거품층을 형성합니다. 커피의 경우 원두의 종류, 가열 시간, 온도 등에 따라서 방향 물질들의 종류와 양을 다르게 생성시킬 수 있게 발전하였습니다. 이렇게 로스팅을 조절하여 다양한 향을 가지는 커피 원두를 생산하는 것은 오랜 역사를 통해 독립된 문화와 산업 분야로 형성될 만큼 성장했습니다.
  커피의 성분 중 클로로젠산은 항산화 작용을 할 수 있는 폴리페놀 화합물로 식후 혈당이 오르는 것을 천천히 하게 할 수 있습니다. 커피 한 잔(200 ml)에는 클로로젠산이 70-350 mg 함유되어 있다고 합니다. 다양한 연구에서 커피의 클로로젠산 성분이 제2형 당뇨병, 파킨슨병 및 간 질환 등의 예방에 도움이 된다고 보고하고 있습니다. (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Chlorogenic-acid.). 다만, 로스팅을 오랫동안 할수록 커피 원두 내 클로로젠산의 성분이 열 분해되어 손실된다고 합니다. 다크 로스팅 커피에서 클로로젠산이 거의 전부 분해된다고 보고되었습니다(Moon et al. J. Agric. Food Chem. 2009, 57, 12, 5365–5369).

​글 그림 김준곤

2020년 8월 24

  세상에는 다양한 차가 있습니다. 커피보다 오래되었고 더 큰 문화를 형성하고 있다고 해도 과언이 아닙니다. 하지만 일반적으로 “차(tea)”라고 하는 것은 차나무 잎을 우려서 만든 음료를 지칭합니다. 일반적으로 알려진 녹차, 홍차, 우롱차, 백차, 보이차 모두 같은 차나무 잎에서 나온 것입니다. 녹차와 홍차는 뜨거운 물로 우려낸 차의 색깔에 따라 이름이 지어졌습니다. 같은 차나무 잎인데도 색깔과 향이 다른 차가 만들어지는 이유는 제조 방식의 차이 때문입니다. 물론 차나무 재배지, 찻잎의 크기나 수확 시기 등도 영향을 줍니다. 기본적으로 차는 찻잎을 말리고, 산화시키고, 굽거나 찌고, 발효하는 과정으로 준비합니다. 녹차와 홍차의 가장 큰 차이점은 차를 굽거나 쪄서 산화를 멈추게 하기 전까지 찻잎의 탄닌 성분이 산화된 정도의 차이입니다. 녹차는 ~10%, 홍차는 ~85% 정도 산화되었습니다. 탄닌은 떫은맛을 내는 폴리페놀인데, 식물에 의해 합성됩니다. 폴리페놀계 분자들은 항산화 작용을 합니다. 항산화 작용이란 다른 물질보다 산화가 잘되어서 주변의 물질이 활성산소 등에 의해 산화되는 것을 막아주는 역할을 하는 물질을 말합니다. 찻잎에 함유된 대표적인 항산화 작용물질이 에피갈로카테킨 갈레이트(EGCG)입니다. 차를 산화시키는 과정을 발효시킨다고도 하는데, 이는 잘못된 표현이지만 통상적으로 쓰이고 있습니다. 탄닌이 산화가 되면 떫은맛이 덜하게 되고 색상이 누렇거나 붉게 됩니다. 찻잎을 비비고 마는 유념이라는 과정은 찻잎에 상처를 내기 위함입니다. 찻잎을 비벼서 세포벽을 물리적으로 무너트려 찻잎의 성분을 스며 나오게 합니다.
  차를 수증기로 찌거나 열로 볶는 과정(살청 과정)은 커피의 로스팅과 목적이 비슷하지만 조금 다릅니다(https://www.teaclass.com). 차를 산화시키는 효소인 폴리페놀 옥시데이스를 열변성 시켜 찻잎의 산화를 막는 것이 주목적입니다. 그 외에도 찻잎의 수분을 증발시켜 차를 오랫동안 보관할 수 있게 합니다. 수분을 증발시키고 찻잎 속의 방향성 분자가 스며 나오게 하는 것은 커피의 로스팅과 비슷하다고 하겠습니다(https://www.teaguardian.com/what-is-tea/green-tea-production-roasting). 보이차의 경우 살청 후에 미생물에 의한 발효(후발효) 과정을 갖습니다. 높은 습도의 장소에서 찻잎으로 보관하여 흑국균이라는 곰팡이에 의해서 발효가 되게 합니다. 찻잎에는 수천 개의 화합물이 함유되어 있습니다. 그리고 찻잎의 공정을 통해서 이들이 분해되고 결합하며 무수히 많은 화합물을 형성합니다. 같은 차라고 해도 지역이나 공정방식에 따라 다양한 향과 맛을 즐길 수 있는 이유입니다 (http://www.tocklai.org/activities/tea-chemistry). 
커피와 차 모두에 공통으로 함유된 활성 물질은 카페인입니다. 일반적으로 커피가 차보다 카페인을 조금 더 함유하고 있습니다. 237 mL 녹차 한잔에는 28 mg, 홍차 한잔에는 47 mg의 카페인이 함유되어 있는데, 필터 커피(브루드 커피) 한 잔(96 mg 카페인)의 절반이 되지 않는 정도입니다. 하지만, 커피는 에스프레소 기법이라는 고온, 고압으로 적은 용량의 물로 높은 효율로 원두 안의 성분을 추출하기도 합니다. 에스프레소 30 mL 한 잔에는 64 mg의 카페인이 들어있습니다. 앞서 설명했던 콜라 한 캔(250 mL)에 포함된 카페인 양(25 mg)에 비하면 차나 커피에 꽤 높은 양의 카페인이 들어있음을 알 수 있습니다. 적절한 양을 즐기는 것은 괜찮지만, 두 기호 음료 모두 중독될 수 있음을 유념해야 합니다.  차를 수증기로 찌거나 열로 볶는 과정(살청 과정)은 커피의 로스팅과 목적이 비슷하지만 조금 다릅니다(https://www.teaclass.com). 차를 산화시키는 효소인 폴리페놀 옥시데이스를 열변성 시켜 찻잎의 산화를 막는 것이 주목적입니다. 그 외에도 찻잎의 수분을 증발시켜 차를 오랫동안 보관할 수 있게 합니다. 수분을 증발시키고 찻잎 속의 방향성 분자가 스며 나오게 하는 것은 커피의 로스팅과 비슷하다고 하겠습니다(https://www.teaguardian.com/what-is-tea/green-tea-production-roasting). 보이차의 경우 살청 후에 미생물에 의한 발효(후발효) 과정을 갖습니다. 높은 습도의 장소에서 찻잎으로 보관하여 흑국균이라는 곰팡이에 의해서 발효가 되게 합니다. 찻잎에는 수천 개의 화합물이 함유되어 있습니다. 그리고 찻잎의 공정을 통해서 이들이 분해되고 결합하며 무수히 많은 화합물을 형성합니다. 같은 차라고 해도 지역이나 공정방식에 따라 다양한 향과 맛을 즐길 수 있는 이유입니다 (http://www.tocklai.org/activities/tea-chemistry). 
  커피와 차 모두에 공통으로 함유된 활성 물질은 카페인입니다. 일반적으로 커피가 차보다 카페인을 조금 더 함유하고 있습니다. 237 mL 녹차 한잔에는 28 mg, 홍차 한잔에는 47 mg의 카페인이 함유되어 있는데, 필터 커피(브루드 커피) 한 잔(96 mg 카페인)의 절반이 되지 않는 정도입니다. 하지만, 커피는 에스프레소 기법이라는 고온, 고압으로 적은 용량의 물로 높은 효율로 원두 안의 성분을 추출하기도 합니다. 에스프레소 30 mL 한 잔에는 64 mg의 카페인이 들어있습니다. 앞서 설명했던 콜라 한 캔(250 mL)에 포함된 카페인 양(25 mg)에 비하면 차나 커피에 꽤 높은 양의 카페인이 들어있음을 알 수 있습니다. 적절한 양을 즐기는 것은 괜찮지만, 두 기호 음료 모두 중독될 수 있음을 유념해야 합니다.

© 김준곤

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