커피로의 여정은 복잡하고 매력적입니다.

SOPHIA JIYUAN ZHANG과 FLORAC DE BRUYN은 지리적으로 다양한 지역 전반에서 수확 후 커피 가공이 커피 품질에 미치는 영향에 관한 4년 간의 연구 협업 과정에서 축적된 연구 결과를 공유합니다.

커피 종자, 열매, 그린 커피 콩, 구운 커피콩, 그리고 마지막으로 우려낸 컵에 이르는 전 과정을 살펴보면서 전체 커피 가치 체인의 각 단계에 소요되는 노력들을 이해할 수 있습니다. 당연히 이러한 각 단계는 서로 연결되어 있으며, 점차 우수한 품질의 커피를 제공하도록 최적화할 수 있습니다. 커피 품질은 일반적으로 그린 커피 콩과 우려낸 컵 수준에서 평가됩니다. 그린 커피 콩은 모든 향 전구물질이 콩 내부에 들어 있어 품질이 최종 컵 품질과 밀접한 관계가 있습니다.

그러나 커피의 품질 개선에 대해 생각해 보면 수확 후 가공이라는 역할은 무시할 수 없습니다. 수확 후 가공의 주된 목표는 커피 열매의 외층을 제거하여 종자를 건조하고 안정적인 향 전구물질, 즉 그린 커피로 변형시키는 것입니다. 이를 위한 일반적인 방법은 습식 및 건식 가공인데, 그 역사는 바로 커피 산업의 탄생까지 거슬러 올라갈 수 있습니다. 한편, 잘 알려진 펄프드 허니 프로세스(pulped honey process)나 트렌디한 혐기성 발효(즉, 발효 중 산소 제한 또는 제거)와 같은 다양한 교잡종 또는 새로운 방법들이 커피 생산 지역에서 인기를 얻고 있습니다. 최근 몇 년간 많은 생산자들이 커피 가공의 혁신을 주도했고 생산 지역마다 다른 방법을 실험했습니다. 이는 가공 방법과 특정 처리 요소가 커피 품질에 미치는 영향에 관한 방대한 실험 증거를 제공합니다. 하지만, 이를 뒷받침할 엄격한 과학적 증거는 여전히 밝혀지지 않고 베일에 가려져 있습니다.

지난 4년 동안 우리는 Vrije Universiteit Brussel(벨기에, 브뤼셀)과 Nestlé Research(스위스, 베흐-쉐-레-블렁)의 상호 산학 연구 협업을 통해 커피를 연구하고 커피 수확 후 가공을 이해하려고 노력했습니다. 여기에서는 다양한 지리적 위치의 여러 커피 품종에 대한 연구 결과 몇 가지를 중점적으로 다룰 것입니다. 우리는 여정 중에 우리가 그랬던 것처럼 여러분들도 통찰력과 감동을 느낄 수 있기를 바랍니다.

미생물(Microbes)과 대사(Metabolism)

커피 수확 후 가공 과정에서 두 가지 주요 현상이 발생하는데, 바로 가공 환경 내에서 미생물 활동과 커피 콩의 내부 종자 대사입니다. 가공의 동적 특성은 미생물에 의한 영양소의 지속적인 소비와 물질 생산뿐 아니라 종자 자체의 대사체 프로파일(즉, 콩에 있는 다양한 물질의 농도 분포)의 지속적인 재조합에서 강조됩니다. 단일 처리 방법 내의 여러 단계뿐 아니라, 온도, 커피 품종, 가공 장비와 같은 다양한 외부 요소의 종속물에 복잡성이 존재합니다.

미생물은 거의 모든 환경에 존재하므로 커피 가공 생태계에도 존재합니다. 미생물은 발효 식품 생산에 중요한 역할을 하기 때문에(“발효 향미(Fermenting Flavor)” 참조), 커피 가공에서도 미생물이 중요한 기능적 역할을 한다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 가공이 시작되기 전에 이미 커피 열매 표면에 미생물이 존재합니다. 가공이 진행됨에 따라 이러한 미생물(특히 젖산균)은 발효 환경으로 방출되는 펄프 및/또는 점액과 같은 영양분이 풍부한 식물 소재에서 번성합니다. 미생물이 자라는 동안 이러한 식물 영양소로부터 대사산물을 생성하여 공정 환경에 축적합니다. 미생물학자들은 이것을 발효라고 합니다. 흥미롭게도 우리는 습식 및 건식 공정 중에 커피 생태계의 다양한 부분에서 발효가 발생한다는 사실을 발견했습니다. 습식 가공 중에는 가공수에서 발효가 발생하고, 건식 가공 중에는 열매의 건조 중인 외층에서 발효가 발생합니다. 흥미롭게도 발효 과정에서 생성된 대사산물 중 일부는 콩의 표면에 남으며, 전체 공정에서도 생존할 수 있습니다. 이처럼 이러한 물질은 미생물의 표식으로 그린 커피 콩에 오래 남습니다. 우리는 이 현상을 발효 효과라고 부릅니다.

 

Figure 1: Our multiphasic approach decoding the journey of coffee from cherry to cup, including metabolomic (top) and microbiological (bottom) approaches to unravel the coffee processing ecosystem, as well as the sensory evaluations of the brewed cup. For full results, see relevant research papers.
그림 1: 커피 가공 생태계를 해명하고 우려낸 컵의 관능 평가를 위해 대사체(위) 및 미생물학적(아래) 접근을 포함하여 열매에서 컵까지의 여정을 해독하는 우리의 다면적 접근 방식입니다. 전체 결과는 관련 연구 논문을 확인하십시오.

 

동시에, 커피 콩은 환경과 상호 작용하고 반응하는 살아있는 실체이기도 합니다. 살아있는 유기체로서, 가공 전반에서 대사적으로 활동할 것입니다. 커피 콩은 중간 저장성 종자로 간주되어 수분 함량이 낮을 때도 다른 외부 환경 스트레스 요인에 반응하고 그에 따라 대사산물 구성을 변경합니다(종자 내부의 모든 탄수화물, 아미노산, 유기산의 동적 합계로 구성됨). 공정 체인 전반에 나타나는 두 가지 주요 스트레스 요인은 수중 침하 시 저산소증, 즉 산소 부족과 건조 중의 “건조 스트레스”(물 부족)입니다. 습식 가공 중에는 콩에 저산소증과 건조 스트레스가 모두 발생하고, 건식 가공 중에는 건조 스트레스가 지속됩니다. 이것 또한 워시드 및 내추럴 커피를 구별하는 차이점입니다. 따라서 커피 가공이 향미에 미치는 영향에 대해 이야기할 때 단지 가공된 콩의 외부에 존재하는 “발효 향미” 생성에 대해서만 말하는 것이 아니라 커피 콩 자체의 대사 성분에 대한 근본적인 변화에 대해서도 이야기합니다.

 

다양한 공정으로 대사산물 농도 변화

다양한 공정 조건에서 미생물학과 씨앗 대사 모두 커피 콩의 대사체 프로파일에 영향을 주고 궁극적으로 컵 품질에 영향을 미칩니다. 여기에서는 광범위하게 연구했던 3가지 특정 습식 공정 요소에 대해 간략하게 검토합니다. 바로 발효 시간, 열매의 점액을 기계적으로 제거했는지 여부, 발효 및 세척 후에 콩이 젖은 상태인지 여부입니다. 그러나 시작하기 전에 공정과 관련하여 사용되는 몇 가지 용어를 명확하게 정의하는 것이 도움이 될 것입니다.

기본적인 습식 공정 중에 신선한 커피 열매는 펄프를 제거하여(껍질 벗기기) 물속에 넣습니다(발효). 그 후, 발효 탱크의 물을 빼고 발효된 콩을 물로 세척하여 남은 점액을 제거(세척)합니다. 간혹 이렇게 습식 처리한 콩을 탱크나 별도의 양동이에 다시 담급니다(담그기). 씻거나 물에 담근 후 건조 단계에서 콩을 말립니다. 고전적인 발효의 한 가지 변형은 점액 제거기(두 개의 회전 드럼이 콩을 짜내서 기계적으로 점액의 상당 부분을 긁어냄)를 사용하여 점액을 기계적으로 제거하는 것이며, 여기에서는 점액 제거 과정이라고 정의합니다.

발효 기간은 커피 품질에 상당한 영향을 줍니다. 일반적으로 오랜 발효는 커피의 품질을 저하시켜 냄새나 산미를 유발하는 것으로 여겨지지만 우리는 농장 업무가 세심하게 제어되어 유지된다면 긍정적이고 바람직한 효과도 가져올 수 있음을 발견했습니다. 위생적인 공정 조건(특히 발효 탱크 및 세척관의 경우)에서 발효가 길어지면 바람직한 미생물 활동이 전개되는 시간이 늘어나 발효 중인 콩에 더 강력한 발효 효과를 가져올 수 있습니다. 이러한 발효 효과는 미생물 대사산물(예: 젖산균 및 만니톨)의 고농도와 꽃 또는 과일 휘발성 유기화합물의 고강도에 반영되면서 그린 커피 콩에 오래 남습니다. 미생물학의 이면으로, 긴 발효 기간은 내재적인 콩 대사체를 통해 저산소증을 유발하여 단순 탄수화물(예: 포도당, 과당), 아미노산(예: 아스파르트산, 알라닌), 유기산(예: 숙신산) 농도에 영향을 줍니다. 열거된 이런 화합물은 로스팅, 특히 마이야르 반응 중일 때와 시그니처 커피 향미를 생성하는 과정 중에 발생하는 일련의 화학 반응에서 주요 전구물질로서 작동할 수 있습니다. 그린 콩의 풍부한 향미 전구물질이 변형되면서 긴 발효 기간의 결과 컵 안의 과일향이 풍부해졌습니다.

커피 습식 가공 중에 발효 물질로 껍질을 벗긴 콩 대신 점액 제거된 콩을 사용하는 것은 논란이 많습니다. 고전적인 발효에 대한 생태학적 대안으로서 점액 제거기를 사용하면 발효 중에 사용되는 담수를 절약하고 처리 시간을 줄일 수 있으며, 감각상의 품질에 미치는 영향은 아직 정의하기 어렵습니다. 우리의 연구는 껍질이 제거된 콩에 점액이 존재하면 미생물이 작용할 수 있는 발효수의 영양학적 밀도가 증가함을 보여주었습니다. 그래서 물과 콩의 발효 효과가 점액 제거된 콩의 발효 과정에 비해 더욱 집중적으로 발생합니다. 그 결과 껍질 제거 과정을 거친 그린 콩이 미생물 대사산물을 더욱 많이 보유하며, 점액 제거 과정에 비해 아미노산 및 페놀 프로파일이 달라집니다. 그 결과, 이 두 과정에서 추출된 컵 품질은 꽃과 과일 당도에서 미묘한 차이를 보였습니다.

위에서 언급한 요소들과 달리, 세척과 담금의 적용은 발효 효과를 감소시켰습니다. 담금이 없거나 세척 횟수가 줄거나 발효 중에 축적된 귀한 대사산물이 그린 커피 콩에 더 높은 수준으로 유지되어 커핑 점수가 높아졌습니다. 그러나 어떤 이유로든 발효가 잘 되지 않은 경우, 물에 담그는 것이 발효 중에 축적된 바람직하지 않은 대사산물을 제거하고 커피의 이취를 제어하는 방법을 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다.

 

발효 변수로서의 커피 품종

커피 품종에 따라 점액의 대사산물 구성과 신선한 커피 열매의 펄프에서 차이가 발생합니다. 미생물을 위한 주요 영양 공급자로서, 다양한 커피 품종의 점액 구성 차이 또한 발효 효과 수준에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 우리는 라틴 아메리카에서 사용한 티피카(Typica) 커피 열매가 아시아의 카티모르(Catimor) 커피 열매보다 영양이 풍부하고 즙이 많은 중과피 층을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 사실이 현지 주변 온도와 같은 외부 요인과 결합하여, 발효 중 pH 프로파일, 미생물 군집 역학 및 대사산물 구성에 영향을 미친다는 것을 알게 되었습니다. 따라서 가공 관행의 잠재적 영향을 평가할 때 커피 품종을 고려해야 합니다.

 

Figure 2: Coffee post-harvest processing consists of several dynamic and intertwined activities, mainly microbial activities and endogenous bean metabolism (left). Switching the processing methods or changing the processing parameters could change the (green) coffee bean composition and the sensory profile of the brewed cup. The extent of their impacts on coffee quality depended on the parameter altered and the processing conditions (right).
그림 2: 커피 수확 후 가공은 주로 미생물 활동과 내재적인 콩 대사체 등의 역동적이고 밀접하게 관련된 여러 활동으로 구성됩니다(왼쪽). 가공 방법이나 가공 요소를 변경하면 그린 커피 콩 구성과 우려낸 컵의 감각상 프로파일이 변경될 수 있습니다. 커피 품질에 미치는 영향의 범위는 변경되는 요소와 가공 조건에 따라 달라집니다(오른쪽).

 

우리는 이러한 다양성이 커피의 강점이라고 믿습니다. 왜냐하면 이러한 다양성은 탐구해야 할 방대한 인수 순열이 남아 있고 커피 가치 사슬의 이 다양성이 공예와 과학을 서로 연결한다는 것을 의미하기 때문입니다. 우리는 이러한 결과 중 일부가 매우 정교하고 뛰어난 커피로 이어질 것이라고 확신합니다.

SOPHIA JIYUAN ZHANG은 화학자이자 커피 애호가로서, 전 세계 여러 커피 농장에서 가공과 커피 품질 사이의 연관성을 이해하기 위해 노력하고 있습니다. FLORAC DE BRUYN은 자연 식품 발효에 큰 관심을 갖고 있는 미생물학자로서, 박사 과정에서 커피 발효 미생물 생태계를 연구했습니다. 두 명 모두 현재 스위스의 Nestlé Research에서 일하고 있습니다.

 

추가 자료
관련 논문은 De Bruyn, F*., Zhang, S.J.*, Pothakos, V.*, Torres, J., Lambot, C., Moroni, A.V., De Vuyst, L.이 발표했으며(2017). 그린 커피 콩 생산 중 미생물과 대사산물 프로파일에 수확 후 가공이 미치는 영향을 연구했습니다. Applied and Environmental Microbiology(응용 및 환경 미생물학) 83, e02398-16.

Zhang, S.J.*, De Bruyn, F.*, Pothakos, V.*, Falconi, C., Torres, J., Moccand, C., Weckx, S., De Vuyst, L. (2019). 열매에서 컵까지 이르는 커피 생산: 커피 아라비카(Coffea arabica)의 습식 가공에 대한 미생물 및 대사체 분석 Applied and Environmental Microbiology(응용 및 환경 미생물학) 85, e02635-18.

* 공동 저술

발효 향미
미생물은 우리가 알고 있고 사랑하는 발효 식품에 중요한 역할을 합니다.

사우어크라우트
류코노스톡과 젖산균의 박테리아 그룹은 양배추를 산성화하여 특유의 상큼한 산도를 만들어 안심하게 섭취할 수 있도록 합니다.

요거트
유산균과 연쇄구균의 박테리아군은 부드럽고 매끄러운 질감과 상큼한 산도를 만드는데 중요한 역할을 합니다.

맥주
효모가 알코올과 과일/꽃 향기를 만들어 즐겁게 마실 수 있도록 합니다.

부드러운 숙성 치즈
락토코쿠스 박테리아군이 부드럽고 크림같은 내부를 만들고. 곰팡이가 표면에 흰 가루 껍질을 만듭니다.

치즈 발효에 대한 자세한 내용은 25 권 중 2호 Bronwen Percival의 “Fermenting a Farming System”(농업 시스템 발효) 를 참조하십시오.