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JKFN Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition



Online ISSN 2288-5978

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Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51(4): 344-351

Published online April 30, 2022 https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.4.344

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

Changes in Morphology, Total Polyphenols, Caffeine, and Chlorogenic Acid in Beans of Arabica Coffee (Coffea arabica) during Roasting

Seolah Kim , Sun Woo Chung , Hyun Joo An , Chan Kyu Lim , Mi Kyoung Jeon , and Yeon Jin Jang

Research Institute of Climate Change and Agriculture, National Institute of Horticultural and Herbal Science

Correspondence to:Seolah Kim, Research Institute of Climate Change and Agriculture, 1285, Aejo-ro, Jeju-si, Jeju 63240, Korea, E-mail: sulah1234@korea.kr

Received: January 24, 2022; Revised: March 23, 2022; Accepted: March 23, 2022

This is Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

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Coffee comprises of numerous bioactive compounds, and has recently been cultivated in temperate regions. We investigated the morphological and phytochemical changes in beans of Coffea arabica cvs. Catuai, Caturra, and Geisha cultivated in the Republic of Korea, at three roasting stages: green bean, 1st crack, and 2nd crack. Morphological changes were estimated by considering the size parameters and weights. Total polyphenols were determined using spectrophotometry, and caffeine and chlorogenic acid were quantified using high-performance liquid chromatography with the appropriate standards. Increased volume and decreased weight were observed in the beans of all three cultivars after roasting. The content of total polyphenols was about 13.74 mg gallic acid equivalent/g dry weight. The analysis of variance revealed that the contents of total polyphenols was insignificant among the cultivars and there was no significant change in the roasting stages. Compared to green bean, decreased contents of caffeine were obtained in the 1st crack and 2nd crack of ‘Catuai’. Chlorogenic acid contents were dramatically decreased in the 1st and 2nd crack of all three cultivars, as compared to green bean. Among the cultivars, ‘Geisha’ showed maximum decrease in chlorogenic acid (about 96%, 1.87 mg/mL) at 2nd crack, compared to the green bean (44.72 mg/mL). These results provide information about the characteristics of various coffee cultivars grown in the Republic of Korea during roasting.

Keywords: Catuai, Caturra, Geisha, coffee bean, phytochemicals

서 론

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꼭두서니과(Rubiaceae) 코페아속(Coffea)에 속하는 커피나무는 그 원두를 음료로 가공하여 이용하는 대표적인 기호 작물의 하나로 전 세계적으로 하루에 약 22억 5천만 잔가량이 소비되고 있다(Denoeud 등, 2014). 커피는 약 80여 종이 있으며 아프리카 대륙과 마다가스카르섬이 기원으로 알려져 있다(Ruas 등, 2003). 이 중 아라비카(C. arabica)와 로부스타(C. canephora)종은 세계적으로 주로 소비되는 종이다(Alonso-Salces 등, 2009). 아라비카와 로부스타종은 유전적으로 염색체 수가 다르며 이에 기인하여 재배 환경, 수량, 품질 등에서 차이가 있다(Kim과 Seo, 2020). 일반적으로 아라비카는 로부스타보다 품질이 우수하다고 여겨지며 가격이 비싸게 형성되어 있고(Alonso-Salces 등, 2009) 전 세계 커피 생산량 중 60%를 차지하고 있는 것으로 알려져 있다(Kim과 Seo, 2020). 최근 소비자들의 고급 제품에 대한 선호도가 증가하면서 저가형 블랜딩 커피보다 아라비카종을 사용하는 스페셜티 커피에 대한 수요가 급증하고 있다(Kim과 Seo, 2020).

아라비카종에서 육성된 품종이 다양한데 대표적으로 ‘Catuai’, ‘Caturra’, ‘Geisha’ 등이 있으며 품종별로 독특한 풍미, 향미를 가지고 있다(Kim과 Seo, 2020). ‘Catuai’는 ‘Mundo Novo’와 ‘Caturra’를 교배하여 육성된 품종으로 수고가 낮고 절간장이 짧으며 다수성이다(Kim과 Seo, 2020). 커피의 열매가 나무에서 잘 떨어지지 않아 강풍과 강우에 강한 특징을 지닌다. 원두는 산미가 강한 편이며 균형 잡힌 풍미가 특징이다(Seninde와 Chambers, 2020). ‘Caturra’는 ‘Bourbon’ 품종의 돌연변이로 수량성과 품질이 모두 우수하지만, 병해충에 약한 편이다(Seninde와 Chambers, 2020). 이 품종은 ‘Catuai’에 비해 풍부한 향과 풍미를 지니고 있는 것으로 알려졌다(Kim과 Seo, 2020). ‘Geisha’는 예멘에서 유래되어 에티오피아 Kaffa 지역에 토착하였다(Silvestrini 등, 2007). 수고가 높고 녹병에 저항성이 있으며, 열매는 큰 편으로 커피에서 과일향, 벌꿀향, 꽃향이 나는 등 향미가 다양하여 품질이 우수하다고 평가되는 품종이다(Silvestrini 등, 2007). 2016년에는 파운드당 600달러로 경매에 낙찰되며 가장 비싼 커피로 알려져 있다(Kim과 Seo, 2020).

로스팅(roasting process)은 원두에 열을 가해 커피를 볶는 과정을 말하며 이 과정 동안 화학적인 변화가 일어나 커피의 맛과 향이 풍부해진다. 로스팅으로 원두의 온도가 서서히 상승하여 170°C에 도달하면 이때부터 원두 내부에서 마이야르(maillard) 반응, 캐러멜(caramel)화, 지질의 산화, 페놀 화합물의 분해 등 이화학적 반응이 동시다발적으로 발생한다(Song 등, 2019). 가열로 원두 내부의 압력이 높아져 세포가 폭발하면서 2회에 걸쳐 원두가 터지는데 첫 번째는 1st crack, 두 번째는 2nd crack으로 정의한다(Seninde와 Chambers, 2020). 1st crack에서 원두는 산미가 높아지며 향이 풍부해지는 특징을 보인다. 로스팅이 더 진행됨에 따라 나타나는 2nd crack에서는 원두 표면에 작은 기름방울이 발생하고 산미와 향을 잃어가며 탄 맛이 증가한다(Seninde와 Chambers, 2020).

커피의 효능에 주요한 역할을 하는 물질로 카페인(caffeine, 1,3,7-trimethylpurine-2,6-dione), 클로로겐산(chlorogenic acid, 3-O-caffeoylquinic acid) 등이 알려져 있다(Nuhu, 2014). 카페인은 알칼로이드 물질로 파킨슨병과 제2형 당뇨병의 위험을 감소시키는 것으로 알려져 있다(Grosso 등, 2017). 클로로겐산은 커피의 쓴맛을 부여하는 물질로 특히 항산화 효능을 보이는 물질이다(Fuller와 Rao, 2017). 커피의 생리활성 물질은 품종과 원산지, 재배 조건(기온, 일사량, 영양 성분 등), 수확 후 처리(펄프 제거 방법 등), 저장 기간과 조건, 로스팅 조건, 추출 방법 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다(Bitter 등, 2020; Borém 등, 2020; de Mejia와 Ramirez-Mares, 2014; Król 등, 2020).

국내 커피 시장은 지속해서 규모가 커지고, 한반도 온난화에 따른 차세대 신소득작물로 커피가 대두되고 있다. 이에 따라 최근 제주도, 전라남도 고흥, 화순 등의 지역에서 시설을 이용한 커피 재배가 이루어지고 있다(Moon 등, 2019). 이처럼 한반도 남부 지역을 중심으로 국내에서 커피 재배가 확산하고 있음에도 불구하고 국산 커피에 대한 생리학적 및 이화학적 특성에 대한 연구가 미비하다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 재배한 ‘Catuai’, ‘Caturra’, ‘Geisha’ 아라비카 커피 원두의 로스팅 전후에 따른 형태 및 이화학적 특성의 변화에 대하여 조사하였다.

재료 및 방법

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실험 재료 및 로스팅 조건

본 실험에 사용한 아라비카 커피 품종은 ‘Catuai’, ‘Caturra’, ‘Geisha’로 제주특별자치도 제주시에 위치한 국립원예특작과학원 온난화대응농업연구소의 폴리에틸렌 필름으로 피복된 시설(33°28′N, 126°31′E)에서 동절기 최저 15°C 이상으로 유지하며 재배하였다. 커피 열매는 품종당 10그루에서 나무당 600 g을 2021년 6월에 일괄 수확하였다.

커피 열매의 과육(pulp)과 파치먼트(parchment)는 de Melo Pereira 등(2019)에 따라 워시드 방법(wet processing)으로 제거하였다. 수분 함량이 11~13%까지 도달한 원두(green bean)는 로스팅하기 전까지 -18°C에 보관하였다.

각 품종의 green bean은 Proaster TH SR-002 로스터(Taehawn Co., Ltd., Bucheon, Korea)를 이용하여 두 단계(1st crack과 2nd crack)로 로스팅하였다. 로스팅은 로스터기 설명서(Taehawn Co., Ltd.)에 따라 10분 동안 진행하였으며 각 단계의 로스팅 온도는 Table 1과 같다. Green bean, 1st crack, 2nd crack의 원두(Fig. 1)는 성분 분석 전까지 -18°C에서 보관하였다.

Table 1 . Temperatures to roast beans of Coffea arabica cvs. Catuai, Caturra, and Geisha (°C)

CultivarStarting point1st crack2nd crack
Catuai210185231
Caturra210191230
Geisha210196231


Fig. 1. Beans of Coffea arabica cvs. Catuai, Caturra, and Geisha under each roasting stage. Scale bar=10 mm.

원두의 형태 측정

품종별 원두의 로스팅 전후 길이, 직경, 두께를 버니어 캘리퍼스를 이용하여 측량하였다. 원두의 부피를 조사하기 위해 Dutra 등(2001)에 따라 반구(hemisphere) 형태로 모델링하여 그 값을 추정하였다. 원두의 중량을 측정하기 위해 50립중을 조사하였다.

원두의 부피=12×43×π×길이2×직경2×두께

메탄올 추출물 제조

시료를 동결 건조하여 막자와 막자사발을 이용하여 분쇄하였다. 이를 70% 메탄올에 침지하여 초음파파쇄기(UCP-10, JeioTech, Daejeon, Korea)를 사용하여 60°C에서 1시간 동안 균질화하였다. 이후 4°C에서 10분 동안 6,000×g에서 원심분리하여 상층액을 0.45 μm 필터(Minisart, Sartorius, Goettingen, Germany)에 여과한 후 메탄올 추출물을 -18°C에서 보관하였다.

총 폴리페놀 함량 측정

원두의 총 폴리페놀 함량을 분석하기 위해 Folin-Ciocalteu 방법을 이용하였다(George 등, 2015). 2.5 mL의 10배 희석한 Folin-Ciocalteu 시약과 2 mL의 7.5% Na2CO3(w/v) 용액을 메탄올 추출물과 45°C에서 15분간 반응시킨 후 분광광도계(OPTIZEN Alpha, K Lab., Ltd., Daejeon, Korea)를 이용하여 765 nm에서 흡광도를 측정하였다. 총 폴리페놀 화합물 함량은 mg gallic acid equivalents(GAE)/g dry weight(DW)로 나타내었다.

카페인과 클로로겐산 함량 측정

카페인과 클로로겐산 함량은 Agilent HPLC 1200 system(Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)과 다이오드 배열 검출기(Agilent Technologies)를 이용하여 측정하였다. 분석을 위해 40°C로 가열한 Symmetry C18(4.6×150 mm, 5 μm, Waters Corp., Milford, MA, USA) 컬럼에 메탄올 추출물 5 μL를 주입하였다. 이동상의 용매는 (a) 3차 증류수(0.1% formic acid)와 (b) acetonitrile(0.1% formic acid)의 혼합액으로 조성은 0~1분: 95%(a), 2~15분: 95~75%(a), 16~30분: 75%(a), 31~40분: 50%(a), 45~50분: 95%(a)의 조건으로 분당 1 mL의 유속으로 gradient elution을 실시하였고, 총 분석 시간은 50분이었다. 메탄올 추출물 내 카페인과 클로로겐산의 함량을 정량하기 위해 표준시약인 카페인(CAS 58-08-2, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)과 클로로겐산(CAS 327-97-9, Sigma-Aldrich)을 농도별(0.25, 0.50, 1.00 mg/mL)로 흡광도와 머무름시간(retention time)을 각각 278 nm와 325 nm에서 측정하여 선형회귀분석을 수행하였다(Fig. 2).

Fig. 2. Representative chromatogram for the standards of caffeine at 278 nm and chlorogenic acid at 325 nm at 0.25, 0.50, and 1.00 mg/mL: caffeine and chlorogenic acid were detected at 9.5 and 9.4 minutes, respectively.

통계분석

통계분석은 R 통계프로그램 Ver. 4.12(R Core Team, Vienna, Austria)와 agricolae 패키지 Ver. 1.3-5(de Mendiburu, 2019)를 이용하여 각 측정군의 평균과 표준편차를 산출하고 처리 간 차이의 유의성을 확인하기 위해 이원분산분석을 하였다. 사후 검정은 유의수준 P<0.05에서 Tukey’s honestly significant difference test를 통해 시행하였다.

결과 및 고찰

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형태학적 변화

아라비카 3품종 ‘Catuai’, ‘Caturra’, ‘Geisha’ 원두의 로스팅에 따른 형태학적 변화를 살펴보기 위해 종경, 횡경, 두께, 부피, 50립중을 조사하였다(Table 2). 모든 품종의 원두에서 로스팅 이후 종경이 증가하였다. 그러나 로스팅 정도(1st crack과 2nd crack)에 따른 유의차는 ‘Caturra’ 원두에서만 나타났다. 횡경과 두께는 모든 품종에서 로스팅 전에 비해 로스팅 후의 원두에서 유의하게 증가하였지만, 로스팅 정도(1st crack과 2nd crack)에 따라서는 변화하지 않았다. 부피를 구하기 위해 모델링한 결과, 3품종의 원두에서 로스팅 후에 약 150~180%까지 그 값이 증가하였다(Table 2). ‘Geisha’ 원두는 로스팅 정도(1st crack과 2nd crack)에 따라 부피가 유의하게 증가하였지만, ‘Catuai’와 ‘Caturra’ 원두에서는 부피가 변화하지 않았다. 다양한 커피 품종에서 로스팅하는 동안 원두의 부피가 증가하는 것이 보고되었는데(Dutra 등, 2001; Moon 등, 2019), 이는 열에 의해 원두 내의 이산화탄소가 팽창하면서 발생한 고압이 원두의 공극을 확대하기 때문이다(Schenker 등, 2000).

Table 2 . Length, width, thickness, volume, and weight of beans of Coffea arabica cvs. Catuai, Caturra, and Geisha during roasting

CultivarStageLength (mm)Width (mm)Thickness (mm)Volume (m3×10-9)Weight (g per 50 seeds)
CatuaiGreen bean10.24±0.41e1)2)7.29±0.19e3.65±0.18d48.84±7.28f   8.50±0.31b
1st crack11.61±0.35cd8.33±0.62c6.40±2.56b88.79±17.49cd6.33±0.32c
2nd crack12.22±0.67bc9.42±1.03bc5.43±0.53b94.41±14.54c5.97±0.64c
CaturraGreen bean   9.46±0.42f6.82±0.45e4.48±1.35d46.71±6.75f   8.68±0.29b
1st crack11.01±0.22d8.57±0.52c4.86±0.50b83.81±13.17d6.43±0.25c
2nd crack12.81±1.27bc9.23±0.46bc5.52±0.55b91.85±16.52cd6.00±0.70c
GeishaGreen bean12.26±1.05d8.47±0.20d4.38±0.41c67.41±10.58e   12.22±0.23a   
1st crack12.57±1.03ab9.53±0.58ab5.64±0.06a106.78±16.16b   9.43±0.47b
2nd crack12.70±0.12a9.72±0.43a6.12±0.30a116.20±13.86a   8.37±1.00b
Cultivar***************
Stage***************
Cultivar×Stage*ns*ns***

1)Means with standard deviations from ten replicates.

2)Means within a column followed by different letters are significantly different according to Tukey’s honestly significant difference test at P<0.05.

Significant at *P<0.05 or ***P<0.001, respectively. ns: not significant.

아라비카 3품종 원두의 로스팅 전후의 50립중을 비교했을 때 green bean 대비 1st crack과 2nd crack에서는 약 25~30%의 중량이 감소하였다(Table 2). 그러나 로스팅 후인 1st crack과 2nd crack 간 중량의 변화는 유의차가 없었다. 원두의 중량 감소는 로스팅 과정 중에 원두 내 수분과 이산화탄소가 방출되고 많은 화합물이 기화 혹은 승화된 것이 관련되어 있다고 보고되었다(Dutra 등, 2001). 기존 보고에 따르면 로스팅 단계별 무게 손실률은 12~35%로 다양한데, 이는 로스팅 시간과 온도 그리고 로스팅하는 원두의 양에 영향을 받기 때문이다(Franca 등, 2009; Lee 등, 2013).

로스팅 단계에 따라 부피가 증가하고 중량이 감소하지만, 일정 시간 이후에는 형태학적 변화가 일어나지 않는 것으로 알려져 있다(Seninde와 Chambers, 2020). 본 실험에서 관찰된 형태학적 변화는 기존 실험 결과와 유사한 경향(Dutra 등, 2001; Seninde와 Chambers, 2020)을 보였으며 ‘Catuai’와 ‘Caturara’ 원두의 경우 1st crack에서 최종 단계에 가까운 것으로 판단된다. ‘Geisha’ 원두는 1st crack 이후에도 부피가 증가하기 때문에(Table 2) 다음에 로스팅 시간을 연장하여 조사할 필요가 있다.

총 폴리페놀 함량

본 실험에서 사용한 3품종의 원두에서 총 폴리페놀 함량은 평균 13.74 mg GAE/g DW로 로스팅 전후 그 함량이 유의하게 변하지 않았다(Table 3). 원두의 총 폴리페놀 함량에 미치는 영향은 커피의 품종, 재배 환경부터 로스팅 조건에 이르기까지 다양하다(Hečimović 등, 2011; Kwak 등, 2017). 특히 로스팅의 지속 시간이 총 폴리페놀 함량에 영향을 미친다고 알려져 있다(Cho 등, 2014; Somporn 등, 2012). 폴리페놀은 80°C 이상의 온도에서 에피머(epimerization)화 등에 의해 구조가 불안정해지거나 단위체로 분해되는 것으로 알려져 있다(Hečimović 등, 2011; Król 등, 2020). 따라서 로스팅 후 원두 내 총 폴리페놀의 함량이 전보다 감소할 수 있다(Król 등, 2020). 하지만 로스팅 중 열에 의해 가수분해 효소나 산화효소의 비활성화가 폴리페놀 분해보다 선행되어 총 폴리페놀 함량이 증가하거나 변하지 않을 수 있다고 보고되어있다(Galaz 등, 2017). 이는 커피뿐만 아니라 타 작물에서도 폴리페놀이 열에 의해서 증감하는 것으로 확인되었다(Choi 등, 2006; Dewanto 등, 2002; Król 등, 2020). 폴리페놀은 다양한 작물의 항산화 활성에 크게 기여하는 물질로 커피에서도 항산화 활성을 결정하는 주요 물질이다(Bobková 등, 2020; Kwak 등, 2017; Nuhu 등, 2014). 본 연구에서는 세 품종 모두에서 로스팅하는 동안 총 폴리페놀의 함량이 변화하지 않기 때문에 이러한 함량 변화가 항산화 활성에 영향을 미치지 못할 것으로 생각된다. 하지만 폴리페놀 종류에 따라서 항산화 활성이 다양하기 때문에(Bobková 등, 2020; Kwak 등, 2017) 양적 변화 이외의 질적 변화에 관한 추가적인 연구가 요구된다.

Table 3 . Contents of total polyphenols, caffeine, and chlorogenic acid of beans of Coffea arabica cvs. Catuai, Caturra, and Geisha during roasting

CultivarStageTotal polyphenol (mg GAE eq/g)Caffeine (mg/g)Chlorogenic acid (mg/g)
CatuaiGreen bean     13.80±1.19a1)2)13.66±0.13a36.91±2.18b  
1st crack12.10±0.76a12.74±0.18b3.37±0.22c
2nd crack14.40±0.98a12.28±0.24b1.32±0.19c
CaturraGreen bean14.80±1.27a12.82±0.28b34.88±1.22b  
1st crack13.90±2.43a12.43±0.23b2.64±0.24c
2nd crack13.20±1.55a12.83±0.24b1.48±0.18c
GeishaGreen bean14.10±2.08a12.91±0.38b44.72±1.96a  
1st crack14.35±1.29a12.65±0.25b4.22±0.42c
2nd crack13.07±1.23a12.33±0.29b1.87±0.19c
Cultivarnsns***
Stagens******
Cultivar×Stagens*****

1)Means with standard deviations from ten replicates.

2)Means within a column followed by different letters are significantly different according to Tukey’s honestly significant difference test at P<0.05.

Significant at **P<0.01 or ***P<0.001, respectively. ns: not significant.

카페인과 클로로겐산 함량

카페인은 표준시약과 비교 시 아라비카 3품종의 원두 모두에서 로스팅 전후로 머무름시간 9.4분에서 검출되었으며(Fig. 2, Fig. 3), 그 함량은 Table 3과 같다. ‘Catuai’ 원두는 로스팅 이후에 카페인 함량이 감소하였지만, 로스팅 정도(1st crack과 2nd crack)에 따라서는 함량의 차이가 나타나지 않았다. ‘Caturra’와 ‘Geisha’ 원두의 경우는 로스팅의 여부와 상관없이 카페인 함량이 변하지 않았다. 다양한 아라비카 품종에서 카페인의 함량은 5.61~16.10 mg/g DW로 보고되고 있으며(Barbosa 등, 2019; Casal 등, 2000; Mazzafera와 Silvarolla, 2010) 본 실험에 사용된 아라비카 3품종 원두의 카페인 함량(약 12.74 mg/g DW) 역시 이 범위 내에 있는 것으로 확인되었다.

Fig. 3. Representative chromatogram for the contents of caffeine at 278 nm and chlorogenic acid at 325 nm obtained from Coffea arabica cv. Geisha under each roasting stage: caffeine and chlorogenic acid were detected at 9.5 and 9.4 minutes, respectively.

로스팅 과정에서 카페인은 178°C 이상에서 승화되어 방출되는데, 이로 인해 원두 내에서 그 함량이 감소할 수 있다(Kim과 Park, 2006). 그러나 경우에 따라서는 카페인의 함량 손실이 미미할 수 있는데, 그 이유로 로스팅 중 원두 내 압력이 상승하여 카페인의 승화점이 증가하거나 원두의 최외각 껍질(silver skin)을 통한 증기의 확산 속도가 매우 낮아지기 때문이다(Kim과 Park, 2006). 본 실험에서 로스팅 이후 품종에 따라 카페인이 약 7% 정도 감소하거나 변화하지 않았는데(Table 3), 이는 위와 같은 원두의 물리학적 특성(Casal 등, 2000)과 관련 있는 것으로 판단된다. 커피의 카페인 함량은 항산화 활성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Gebeyehu와 Bikila, 2015; Nuhu 등, 2014; Vieira 등, 2020). 그러나 본 연구에서는 ‘Catuai’의 green bean 이외에 품종 및 로스팅 단계에 따른 그 함량의 변화가 없어 총 폴리페놀 함량과 같이 항산화 활성에 영향을 미치지 못할 것으로 생각된다.

클로로겐산은 표준시약과 비교 시 아라비카 3품종의 원두 모두에서 로스팅 전후로 머무름시간 9.5분에서 검출되었으나(Fig. 2, Fig. 3), 그 함량의 변화는 카페인과 다른 경향을 보였다(Table 3). 클로로겐산 함량은 ‘Catuai’, ‘Caturra’, ‘Geisha’ 원두의 green bean에서 각각 36.91, 34.88, 44.72 mg/g DW이었고, 로스팅 이후 약 91~96%가량 감소하였다(Table 3). 클로로겐산의 함량이 로스팅 전후로 상당히 감소하는데, 이는 클로로겐산이 분해되거나 다른 형태로 변형되기 때문이라는 연구가 다수 보고되어 있다(Dawidowicz와 Typek, 2017; Hu 등, 2020; Jeon 등, 2017; Moon 등, 2009; Trugo와 Macrae, 1984; Wei와 Tanokura, 2015). 클로로겐산은 퀸산(quinic acid)이 카페산(caffeic acid) 또는 페룰산(ferulic acid)과 에스터 결합을 한 형태이다. 이는 로스팅 과정 중 열이 가해져 가수분해된다고 알려져 있다(Crozier 등, 2009; Määttä 등, 2003). 클로로겐산의 구조 변형에 미치는 대표적인 화학 반응으로는 락톤화(lactonization)와 에피머화(epimerization)가 있다(Farah 등, 2005; Jaiswal 등, 2012; Kraehenbuehl 등, 2017). 원두를 가열하면 퀸산 구조 내 하이드록시기(hydroxy group)가 에스터 결합을 하며 락톤 구조를 형성한다(Jaiswal 등, 2012; Kraehenbuehl 등, 2017). 이때 생성되는 클로로겐산 락톤(chlorogenic acid lactone)은 3- 및 4-caffeoylquinic-1,5-lactone, 3- 및 4-coumaroylquinic-1,5-lactone, 3- 및 4-feruloylquinic-1,5-lactone 등이 있다(Farah 등, 2005; Kraehenbuehl 등, 2017). 이외에도 클로로겐산의 퀸산 내 탄소에 결합한 하이드록시기가 변화하는 에피머화가 일어난다(Jaiswal 등, 2012). 이러한 반응으로 생성된 물질들은 당, 아민기 등과 결합하여 향과 관련된 화합물(cinammic acid, valline, guaiacol 등)로 합성되어 방출된다(Trugo와 Macrae, 1984; Yeretzian 등, 2002). 이외에도 클로로겐산은 풍미와 관련된 물질인 γ-quinide, syllo-quinic acid 등으로 전환되는 것으로 알려져 있다(Cheong 등, 2013; Wei와 Tanokura, 2015). 본 결과를 바탕으로 로스팅에 의한 클로로겐산과 다른 화합물과의 상관관계에 관한 모니터링 연구가 진행될 예정이다. 클로로겐산은 항산화 활성이 높은 폴리페놀의 한 종류이다(Fuller와 Rao, 2017; Nicoli 등, 1997; Nuhu, 2014). 클로로겐산은 로스팅 과정 중에 분해되어 그 함량이 현저히 줄어들며(Table 3) 클로로겐산에 따른 항산화 활성이 감소할 수 있다(Duarte 등, 2005). 그러나 로스팅 동안 생성된 이성질체, 분해 산물 또는 새로 합성된 물질이 항산화 활성을 가지기 때문에(Moreira 등, 2005; Nicoli 등, 1997) 커피의 전체 항산화 활성에 대해 미치는 영향은 추후 연구가 필요하다.

요 약

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지구 온난화로 인해 커피는 기존 재배지인 커피 벨트 이외의 한국, 일본 등의 온대 기후대에서 재배가 시도되고 있다. 국내 환경에서 재배된 커피의 품질을 조사하기 위해 형태학적 변화, 총 폴리페놀, 카페인, 클로로겐산의 함량을 아라비카 커피 3품종(‘Catuai’, ‘Caturra’, ‘Geisha’)에서 로스팅 단계별(green bean, 1st crack, 2nd crack)로 확인하였다. 실험에 사용된 모든 품종에서 로스팅 이후 부피가 커지고 중량은 감소하였다. 모든 시료에서 검출된 총 폴리페놀의 함량은 평균 13.74 mg gallic acid equivalent/g dry weight였다. 그러나 품종, 로스팅 단계, 이 두 요인 간의 상호작용에 의한 함량 변화는 없었다. 카페인 함량은 ‘Catuai’ 원두에서 로스팅 전보다 로스팅 후에 유의하게 감소하였다. 모든 품종의 원두에서 클로로겐산은 로스팅 전보다 로스팅 후에 그 함량이 상당히 감소했다. 본 연구의 결과는 현재 국내에서 생산되는 커피에 대한 자료가 미비한 시점에서 커피의 기초 품질에 관한 정보를 제공할 것으로 생각된다. 또한 국내뿐만 아니라 온대 기후대에서의 커피 재배 가능성과 소득작물로서 시사하는 바이다.

감사의 글

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본 연구는 농촌진흥청 연구사업(PJ011862)에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.

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Article

Article

Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51(4): 344-351

Published online April 30, 2022 https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.4.344

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

로스팅 단계에 따른 아라비카 커피(Coffea arabica) 원두의 형태 및 총 폴리페놀, 카페인, 클로로겐산의 함량 변화

김설아?정선우?안현주?임찬규?전미경?장연진

국립원예특작과학원 온난화대응농업연구소

Received: January 24, 2022; Revised: March 23, 2022; Accepted: March 23, 2022

Changes in Morphology, Total Polyphenols, Caffeine, and Chlorogenic Acid in Beans of Arabica Coffee (Coffea arabica) during Roasting

Seolah Kim , Sun Woo Chung , Hyun Joo An , Chan Kyu Lim , Mi Kyoung Jeon , and Yeon Jin Jang

Research Institute of Climate Change and Agriculture, National Institute of Horticultural and Herbal Science

Correspondence to:Seolah Kim, Research Institute of Climate Change and Agriculture, 1285, Aejo-ro, Jeju-si, Jeju 63240, Korea, E-mail: sulah1234@korea.kr

Received: January 24, 2022; Revised: March 23, 2022; Accepted: March 23, 2022

This is Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

Coffee comprises of numerous bioactive compounds, and has recently been cultivated in temperate regions. We investigated the morphological and phytochemical changes in beans of Coffea arabica cvs. Catuai, Caturra, and Geisha cultivated in the Republic of Korea, at three roasting stages: green bean, 1st crack, and 2nd crack. Morphological changes were estimated by considering the size parameters and weights. Total polyphenols were determined using spectrophotometry, and caffeine and chlorogenic acid were quantified using high-performance liquid chromatography with the appropriate standards. Increased volume and decreased weight were observed in the beans of all three cultivars after roasting. The content of total polyphenols was about 13.74 mg gallic acid equivalent/g dry weight. The analysis of variance revealed that the contents of total polyphenols was insignificant among the cultivars and there was no significant change in the roasting stages. Compared to green bean, decreased contents of caffeine were obtained in the 1st crack and 2nd crack of ‘Catuai’. Chlorogenic acid contents were dramatically decreased in the 1st and 2nd crack of all three cultivars, as compared to green bean. Among the cultivars, ‘Geisha’ showed maximum decrease in chlorogenic acid (about 96%, 1.87 mg/mL) at 2nd crack, compared to the green bean (44.72 mg/mL). These results provide information about the characteristics of various coffee cultivars grown in the Republic of Korea during roasting.

Keywords: Catuai, Caturra, Geisha, coffee bean, phytochemicals

서 론

꼭두서니과(Rubiaceae) 코페아속(Coffea)에 속하는 커피나무는 그 원두를 음료로 가공하여 이용하는 대표적인 기호 작물의 하나로 전 세계적으로 하루에 약 22억 5천만 잔가량이 소비되고 있다(Denoeud 등, 2014). 커피는 약 80여 종이 있으며 아프리카 대륙과 마다가스카르섬이 기원으로 알려져 있다(Ruas 등, 2003). 이 중 아라비카(C. arabica)와 로부스타(C. canephora)종은 세계적으로 주로 소비되는 종이다(Alonso-Salces 등, 2009). 아라비카와 로부스타종은 유전적으로 염색체 수가 다르며 이에 기인하여 재배 환경, 수량, 품질 등에서 차이가 있다(Kim과 Seo, 2020). 일반적으로 아라비카는 로부스타보다 품질이 우수하다고 여겨지며 가격이 비싸게 형성되어 있고(Alonso-Salces 등, 2009) 전 세계 커피 생산량 중 60%를 차지하고 있는 것으로 알려져 있다(Kim과 Seo, 2020). 최근 소비자들의 고급 제품에 대한 선호도가 증가하면서 저가형 블랜딩 커피보다 아라비카종을 사용하는 스페셜티 커피에 대한 수요가 급증하고 있다(Kim과 Seo, 2020).

아라비카종에서 육성된 품종이 다양한데 대표적으로 ‘Catuai’, ‘Caturra’, ‘Geisha’ 등이 있으며 품종별로 독특한 풍미, 향미를 가지고 있다(Kim과 Seo, 2020). ‘Catuai’는 ‘Mundo Novo’와 ‘Caturra’를 교배하여 육성된 품종으로 수고가 낮고 절간장이 짧으며 다수성이다(Kim과 Seo, 2020). 커피의 열매가 나무에서 잘 떨어지지 않아 강풍과 강우에 강한 특징을 지닌다. 원두는 산미가 강한 편이며 균형 잡힌 풍미가 특징이다(Seninde와 Chambers, 2020). ‘Caturra’는 ‘Bourbon’ 품종의 돌연변이로 수량성과 품질이 모두 우수하지만, 병해충에 약한 편이다(Seninde와 Chambers, 2020). 이 품종은 ‘Catuai’에 비해 풍부한 향과 풍미를 지니고 있는 것으로 알려졌다(Kim과 Seo, 2020). ‘Geisha’는 예멘에서 유래되어 에티오피아 Kaffa 지역에 토착하였다(Silvestrini 등, 2007). 수고가 높고 녹병에 저항성이 있으며, 열매는 큰 편으로 커피에서 과일향, 벌꿀향, 꽃향이 나는 등 향미가 다양하여 품질이 우수하다고 평가되는 품종이다(Silvestrini 등, 2007). 2016년에는 파운드당 600달러로 경매에 낙찰되며 가장 비싼 커피로 알려져 있다(Kim과 Seo, 2020).

로스팅(roasting process)은 원두에 열을 가해 커피를 볶는 과정을 말하며 이 과정 동안 화학적인 변화가 일어나 커피의 맛과 향이 풍부해진다. 로스팅으로 원두의 온도가 서서히 상승하여 170°C에 도달하면 이때부터 원두 내부에서 마이야르(maillard) 반응, 캐러멜(caramel)화, 지질의 산화, 페놀 화합물의 분해 등 이화학적 반응이 동시다발적으로 발생한다(Song 등, 2019). 가열로 원두 내부의 압력이 높아져 세포가 폭발하면서 2회에 걸쳐 원두가 터지는데 첫 번째는 1st crack, 두 번째는 2nd crack으로 정의한다(Seninde와 Chambers, 2020). 1st crack에서 원두는 산미가 높아지며 향이 풍부해지는 특징을 보인다. 로스팅이 더 진행됨에 따라 나타나는 2nd crack에서는 원두 표면에 작은 기름방울이 발생하고 산미와 향을 잃어가며 탄 맛이 증가한다(Seninde와 Chambers, 2020).

커피의 효능에 주요한 역할을 하는 물질로 카페인(caffeine, 1,3,7-trimethylpurine-2,6-dione), 클로로겐산(chlorogenic acid, 3-O-caffeoylquinic acid) 등이 알려져 있다(Nuhu, 2014). 카페인은 알칼로이드 물질로 파킨슨병과 제2형 당뇨병의 위험을 감소시키는 것으로 알려져 있다(Grosso 등, 2017). 클로로겐산은 커피의 쓴맛을 부여하는 물질로 특히 항산화 효능을 보이는 물질이다(Fuller와 Rao, 2017). 커피의 생리활성 물질은 품종과 원산지, 재배 조건(기온, 일사량, 영양 성분 등), 수확 후 처리(펄프 제거 방법 등), 저장 기간과 조건, 로스팅 조건, 추출 방법 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다(Bitter 등, 2020; Borém 등, 2020; de Mejia와 Ramirez-Mares, 2014; Król 등, 2020).

국내 커피 시장은 지속해서 규모가 커지고, 한반도 온난화에 따른 차세대 신소득작물로 커피가 대두되고 있다. 이에 따라 최근 제주도, 전라남도 고흥, 화순 등의 지역에서 시설을 이용한 커피 재배가 이루어지고 있다(Moon 등, 2019). 이처럼 한반도 남부 지역을 중심으로 국내에서 커피 재배가 확산하고 있음에도 불구하고 국산 커피에 대한 생리학적 및 이화학적 특성에 대한 연구가 미비하다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 재배한 ‘Catuai’, ‘Caturra’, ‘Geisha’ 아라비카 커피 원두의 로스팅 전후에 따른 형태 및 이화학적 특성의 변화에 대하여 조사하였다.

재료 및 방법

실험 재료 및 로스팅 조건

본 실험에 사용한 아라비카 커피 품종은 ‘Catuai’, ‘Caturra’, ‘Geisha’로 제주특별자치도 제주시에 위치한 국립원예특작과학원 온난화대응농업연구소의 폴리에틸렌 필름으로 피복된 시설(33°28′N, 126°31′E)에서 동절기 최저 15°C 이상으로 유지하며 재배하였다. 커피 열매는 품종당 10그루에서 나무당 600 g을 2021년 6월에 일괄 수확하였다.

커피 열매의 과육(pulp)과 파치먼트(parchment)는 de Melo Pereira 등(2019)에 따라 워시드 방법(wet processing)으로 제거하였다. 수분 함량이 11~13%까지 도달한 원두(green bean)는 로스팅하기 전까지 -18°C에 보관하였다.

각 품종의 green bean은 Proaster TH SR-002 로스터(Taehawn Co., Ltd., Bucheon, Korea)를 이용하여 두 단계(1st crack과 2nd crack)로 로스팅하였다. 로스팅은 로스터기 설명서(Taehawn Co., Ltd.)에 따라 10분 동안 진행하였으며 각 단계의 로스팅 온도는 Table 1과 같다. Green bean, 1st crack, 2nd crack의 원두(Fig. 1)는 성분 분석 전까지 -18°C에서 보관하였다.

Table 1 . Temperatures to roast beans of Coffea arabica cvs. Catuai, Caturra, and Geisha (°C).

CultivarStarting point1st crack2nd crack
Catuai210185231
Caturra210191230
Geisha210196231


Fig 1. Beans of Coffea arabica cvs. Catuai, Caturra, and Geisha under each roasting stage. Scale bar=10 mm.

원두의 형태 측정

품종별 원두의 로스팅 전후 길이, 직경, 두께를 버니어 캘리퍼스를 이용하여 측량하였다. 원두의 부피를 조사하기 위해 Dutra 등(2001)에 따라 반구(hemisphere) 형태로 모델링하여 그 값을 추정하였다. 원두의 중량을 측정하기 위해 50립중을 조사하였다.

원두의 부피=12×43×π×길이2×직경2×두께

메탄올 추출물 제조

시료를 동결 건조하여 막자와 막자사발을 이용하여 분쇄하였다. 이를 70% 메탄올에 침지하여 초음파파쇄기(UCP-10, JeioTech, Daejeon, Korea)를 사용하여 60°C에서 1시간 동안 균질화하였다. 이후 4°C에서 10분 동안 6,000×g에서 원심분리하여 상층액을 0.45 μm 필터(Minisart, Sartorius, Goettingen, Germany)에 여과한 후 메탄올 추출물을 -18°C에서 보관하였다.

총 폴리페놀 함량 측정

원두의 총 폴리페놀 함량을 분석하기 위해 Folin-Ciocalteu 방법을 이용하였다(George 등, 2015). 2.5 mL의 10배 희석한 Folin-Ciocalteu 시약과 2 mL의 7.5% Na2CO3(w/v) 용액을 메탄올 추출물과 45°C에서 15분간 반응시킨 후 분광광도계(OPTIZEN Alpha, K Lab., Ltd., Daejeon, Korea)를 이용하여 765 nm에서 흡광도를 측정하였다. 총 폴리페놀 화합물 함량은 mg gallic acid equivalents(GAE)/g dry weight(DW)로 나타내었다.

카페인과 클로로겐산 함량 측정

카페인과 클로로겐산 함량은 Agilent HPLC 1200 system(Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA)과 다이오드 배열 검출기(Agilent Technologies)를 이용하여 측정하였다. 분석을 위해 40°C로 가열한 Symmetry C18(4.6×150 mm, 5 μm, Waters Corp., Milford, MA, USA) 컬럼에 메탄올 추출물 5 μL를 주입하였다. 이동상의 용매는 (a) 3차 증류수(0.1% formic acid)와 (b) acetonitrile(0.1% formic acid)의 혼합액으로 조성은 0~1분: 95%(a), 2~15분: 95~75%(a), 16~30분: 75%(a), 31~40분: 50%(a), 45~50분: 95%(a)의 조건으로 분당 1 mL의 유속으로 gradient elution을 실시하였고, 총 분석 시간은 50분이었다. 메탄올 추출물 내 카페인과 클로로겐산의 함량을 정량하기 위해 표준시약인 카페인(CAS 58-08-2, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)과 클로로겐산(CAS 327-97-9, Sigma-Aldrich)을 농도별(0.25, 0.50, 1.00 mg/mL)로 흡광도와 머무름시간(retention time)을 각각 278 nm와 325 nm에서 측정하여 선형회귀분석을 수행하였다(Fig. 2).

Fig 2. Representative chromatogram for the standards of caffeine at 278 nm and chlorogenic acid at 325 nm at 0.25, 0.50, and 1.00 mg/mL: caffeine and chlorogenic acid were detected at 9.5 and 9.4 minutes, respectively.

통계분석

통계분석은 R 통계프로그램 Ver. 4.12(R Core Team, Vienna, Austria)와 agricolae 패키지 Ver. 1.3-5(de Mendiburu, 2019)를 이용하여 각 측정군의 평균과 표준편차를 산출하고 처리 간 차이의 유의성을 확인하기 위해 이원분산분석을 하였다. 사후 검정은 유의수준 P<0.05에서 Tukey’s honestly significant difference test를 통해 시행하였다.

결과 및 고찰

형태학적 변화

아라비카 3품종 ‘Catuai’, ‘Caturra’, ‘Geisha’ 원두의 로스팅에 따른 형태학적 변화를 살펴보기 위해 종경, 횡경, 두께, 부피, 50립중을 조사하였다(Table 2). 모든 품종의 원두에서 로스팅 이후 종경이 증가하였다. 그러나 로스팅 정도(1st crack과 2nd crack)에 따른 유의차는 ‘Caturra’ 원두에서만 나타났다. 횡경과 두께는 모든 품종에서 로스팅 전에 비해 로스팅 후의 원두에서 유의하게 증가하였지만, 로스팅 정도(1st crack과 2nd crack)에 따라서는 변화하지 않았다. 부피를 구하기 위해 모델링한 결과, 3품종의 원두에서 로스팅 후에 약 150~180%까지 그 값이 증가하였다(Table 2). ‘Geisha’ 원두는 로스팅 정도(1st crack과 2nd crack)에 따라 부피가 유의하게 증가하였지만, ‘Catuai’와 ‘Caturra’ 원두에서는 부피가 변화하지 않았다. 다양한 커피 품종에서 로스팅하는 동안 원두의 부피가 증가하는 것이 보고되었는데(Dutra 등, 2001; Moon 등, 2019), 이는 열에 의해 원두 내의 이산화탄소가 팽창하면서 발생한 고압이 원두의 공극을 확대하기 때문이다(Schenker 등, 2000).

Table 2 . Length, width, thickness, volume, and weight of beans of Coffea arabica cvs. Catuai, Caturra, and Geisha during roasting.

CultivarStageLength (mm)Width (mm)Thickness (mm)Volume (m3×10-9)Weight (g per 50 seeds)
CatuaiGreen bean10.24±0.41e1)2)7.29±0.19e3.65±0.18d48.84±7.28f   8.50±0.31b
1st crack11.61±0.35cd8.33±0.62c6.40±2.56b88.79±17.49cd6.33±0.32c
2nd crack12.22±0.67bc9.42±1.03bc5.43±0.53b94.41±14.54c5.97±0.64c
CaturraGreen bean   9.46±0.42f6.82±0.45e4.48±1.35d46.71±6.75f   8.68±0.29b
1st crack11.01±0.22d8.57±0.52c4.86±0.50b83.81±13.17d6.43±0.25c
2nd crack12.81±1.27bc9.23±0.46bc5.52±0.55b91.85±16.52cd6.00±0.70c
GeishaGreen bean12.26±1.05d8.47±0.20d4.38±0.41c67.41±10.58e   12.22±0.23a   
1st crack12.57±1.03ab9.53±0.58ab5.64±0.06a106.78±16.16b   9.43±0.47b
2nd crack12.70±0.12a9.72±0.43a6.12±0.30a116.20±13.86a   8.37±1.00b
Cultivar***************
Stage***************
Cultivar×Stage*ns*ns***

1)Means with standard deviations from ten replicates..

2)Means within a column followed by different letters are significantly different according to Tukey’s honestly significant difference test at P<0.05..

Significant at *P<0.05 or ***P<0.001, respectively. ns: not significant..

아라비카 3품종 원두의 로스팅 전후의 50립중을 비교했을 때 green bean 대비 1st crack과 2nd crack에서는 약 25~30%의 중량이 감소하였다(Table 2). 그러나 로스팅 후인 1st crack과 2nd crack 간 중량의 변화는 유의차가 없었다. 원두의 중량 감소는 로스팅 과정 중에 원두 내 수분과 이산화탄소가 방출되고 많은 화합물이 기화 혹은 승화된 것이 관련되어 있다고 보고되었다(Dutra 등, 2001). 기존 보고에 따르면 로스팅 단계별 무게 손실률은 12~35%로 다양한데, 이는 로스팅 시간과 온도 그리고 로스팅하는 원두의 양에 영향을 받기 때문이다(Franca 등, 2009; Lee 등, 2013).

로스팅 단계에 따라 부피가 증가하고 중량이 감소하지만, 일정 시간 이후에는 형태학적 변화가 일어나지 않는 것으로 알려져 있다(Seninde와 Chambers, 2020). 본 실험에서 관찰된 형태학적 변화는 기존 실험 결과와 유사한 경향(Dutra 등, 2001; Seninde와 Chambers, 2020)을 보였으며 ‘Catuai’와 ‘Caturara’ 원두의 경우 1st crack에서 최종 단계에 가까운 것으로 판단된다. ‘Geisha’ 원두는 1st crack 이후에도 부피가 증가하기 때문에(Table 2) 다음에 로스팅 시간을 연장하여 조사할 필요가 있다.

총 폴리페놀 함량

본 실험에서 사용한 3품종의 원두에서 총 폴리페놀 함량은 평균 13.74 mg GAE/g DW로 로스팅 전후 그 함량이 유의하게 변하지 않았다(Table 3). 원두의 총 폴리페놀 함량에 미치는 영향은 커피의 품종, 재배 환경부터 로스팅 조건에 이르기까지 다양하다(Hečimović 등, 2011; Kwak 등, 2017). 특히 로스팅의 지속 시간이 총 폴리페놀 함량에 영향을 미친다고 알려져 있다(Cho 등, 2014; Somporn 등, 2012). 폴리페놀은 80°C 이상의 온도에서 에피머(epimerization)화 등에 의해 구조가 불안정해지거나 단위체로 분해되는 것으로 알려져 있다(Hečimović 등, 2011; Król 등, 2020). 따라서 로스팅 후 원두 내 총 폴리페놀의 함량이 전보다 감소할 수 있다(Król 등, 2020). 하지만 로스팅 중 열에 의해 가수분해 효소나 산화효소의 비활성화가 폴리페놀 분해보다 선행되어 총 폴리페놀 함량이 증가하거나 변하지 않을 수 있다고 보고되어있다(Galaz 등, 2017). 이는 커피뿐만 아니라 타 작물에서도 폴리페놀이 열에 의해서 증감하는 것으로 확인되었다(Choi 등, 2006; Dewanto 등, 2002; Król 등, 2020). 폴리페놀은 다양한 작물의 항산화 활성에 크게 기여하는 물질로 커피에서도 항산화 활성을 결정하는 주요 물질이다(Bobková 등, 2020; Kwak 등, 2017; Nuhu 등, 2014). 본 연구에서는 세 품종 모두에서 로스팅하는 동안 총 폴리페놀의 함량이 변화하지 않기 때문에 이러한 함량 변화가 항산화 활성에 영향을 미치지 못할 것으로 생각된다. 하지만 폴리페놀 종류에 따라서 항산화 활성이 다양하기 때문에(Bobková 등, 2020; Kwak 등, 2017) 양적 변화 이외의 질적 변화에 관한 추가적인 연구가 요구된다.

Table 3 . Contents of total polyphenols, caffeine, and chlorogenic acid of beans of Coffea arabica cvs. Catuai, Caturra, and Geisha during roasting.

CultivarStageTotal polyphenol (mg GAE eq/g)Caffeine (mg/g)Chlorogenic acid (mg/g)
CatuaiGreen bean     13.80±1.19a1)2)13.66±0.13a36.91±2.18b  
1st crack12.10±0.76a12.74±0.18b3.37±0.22c
2nd crack14.40±0.98a12.28±0.24b1.32±0.19c
CaturraGreen bean14.80±1.27a12.82±0.28b34.88±1.22b  
1st crack13.90±2.43a12.43±0.23b2.64±0.24c
2nd crack13.20±1.55a12.83±0.24b1.48±0.18c
GeishaGreen bean14.10±2.08a12.91±0.38b44.72±1.96a  
1st crack14.35±1.29a12.65±0.25b4.22±0.42c
2nd crack13.07±1.23a12.33±0.29b1.87±0.19c
Cultivarnsns***
Stagens******
Cultivar×Stagens*****

1)Means with standard deviations from ten replicates..

2)Means within a column followed by different letters are significantly different according to Tukey’s honestly significant difference test at P<0.05..

Significant at **P<0.01 or ***P<0.001, respectively. ns: not significant..

카페인과 클로로겐산 함량

카페인은 표준시약과 비교 시 아라비카 3품종의 원두 모두에서 로스팅 전후로 머무름시간 9.4분에서 검출되었으며(Fig. 2, Fig. 3), 그 함량은 Table 3과 같다. ‘Catuai’ 원두는 로스팅 이후에 카페인 함량이 감소하였지만, 로스팅 정도(1st crack과 2nd crack)에 따라서는 함량의 차이가 나타나지 않았다. ‘Caturra’와 ‘Geisha’ 원두의 경우는 로스팅의 여부와 상관없이 카페인 함량이 변하지 않았다. 다양한 아라비카 품종에서 카페인의 함량은 5.61~16.10 mg/g DW로 보고되고 있으며(Barbosa 등, 2019; Casal 등, 2000; Mazzafera와 Silvarolla, 2010) 본 실험에 사용된 아라비카 3품종 원두의 카페인 함량(약 12.74 mg/g DW) 역시 이 범위 내에 있는 것으로 확인되었다.

Fig 3. Representative chromatogram for the contents of caffeine at 278 nm and chlorogenic acid at 325 nm obtained from Coffea arabica cv. Geisha under each roasting stage: caffeine and chlorogenic acid were detected at 9.5 and 9.4 minutes, respectively.

로스팅 과정에서 카페인은 178°C 이상에서 승화되어 방출되는데, 이로 인해 원두 내에서 그 함량이 감소할 수 있다(Kim과 Park, 2006). 그러나 경우에 따라서는 카페인의 함량 손실이 미미할 수 있는데, 그 이유로 로스팅 중 원두 내 압력이 상승하여 카페인의 승화점이 증가하거나 원두의 최외각 껍질(silver skin)을 통한 증기의 확산 속도가 매우 낮아지기 때문이다(Kim과 Park, 2006). 본 실험에서 로스팅 이후 품종에 따라 카페인이 약 7% 정도 감소하거나 변화하지 않았는데(Table 3), 이는 위와 같은 원두의 물리학적 특성(Casal 등, 2000)과 관련 있는 것으로 판단된다. 커피의 카페인 함량은 항산화 활성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Gebeyehu와 Bikila, 2015; Nuhu 등, 2014; Vieira 등, 2020). 그러나 본 연구에서는 ‘Catuai’의 green bean 이외에 품종 및 로스팅 단계에 따른 그 함량의 변화가 없어 총 폴리페놀 함량과 같이 항산화 활성에 영향을 미치지 못할 것으로 생각된다.

클로로겐산은 표준시약과 비교 시 아라비카 3품종의 원두 모두에서 로스팅 전후로 머무름시간 9.5분에서 검출되었으나(Fig. 2, Fig. 3), 그 함량의 변화는 카페인과 다른 경향을 보였다(Table 3). 클로로겐산 함량은 ‘Catuai’, ‘Caturra’, ‘Geisha’ 원두의 green bean에서 각각 36.91, 34.88, 44.72 mg/g DW이었고, 로스팅 이후 약 91~96%가량 감소하였다(Table 3). 클로로겐산의 함량이 로스팅 전후로 상당히 감소하는데, 이는 클로로겐산이 분해되거나 다른 형태로 변형되기 때문이라는 연구가 다수 보고되어 있다(Dawidowicz와 Typek, 2017; Hu 등, 2020; Jeon 등, 2017; Moon 등, 2009; Trugo와 Macrae, 1984; Wei와 Tanokura, 2015). 클로로겐산은 퀸산(quinic acid)이 카페산(caffeic acid) 또는 페룰산(ferulic acid)과 에스터 결합을 한 형태이다. 이는 로스팅 과정 중 열이 가해져 가수분해된다고 알려져 있다(Crozier 등, 2009; Määttä 등, 2003). 클로로겐산의 구조 변형에 미치는 대표적인 화학 반응으로는 락톤화(lactonization)와 에피머화(epimerization)가 있다(Farah 등, 2005; Jaiswal 등, 2012; Kraehenbuehl 등, 2017). 원두를 가열하면 퀸산 구조 내 하이드록시기(hydroxy group)가 에스터 결합을 하며 락톤 구조를 형성한다(Jaiswal 등, 2012; Kraehenbuehl 등, 2017). 이때 생성되는 클로로겐산 락톤(chlorogenic acid lactone)은 3- 및 4-caffeoylquinic-1,5-lactone, 3- 및 4-coumaroylquinic-1,5-lactone, 3- 및 4-feruloylquinic-1,5-lactone 등이 있다(Farah 등, 2005; Kraehenbuehl 등, 2017). 이외에도 클로로겐산의 퀸산 내 탄소에 결합한 하이드록시기가 변화하는 에피머화가 일어난다(Jaiswal 등, 2012). 이러한 반응으로 생성된 물질들은 당, 아민기 등과 결합하여 향과 관련된 화합물(cinammic acid, valline, guaiacol 등)로 합성되어 방출된다(Trugo와 Macrae, 1984; Yeretzian 등, 2002). 이외에도 클로로겐산은 풍미와 관련된 물질인 γ-quinide, syllo-quinic acid 등으로 전환되는 것으로 알려져 있다(Cheong 등, 2013; Wei와 Tanokura, 2015). 본 결과를 바탕으로 로스팅에 의한 클로로겐산과 다른 화합물과의 상관관계에 관한 모니터링 연구가 진행될 예정이다. 클로로겐산은 항산화 활성이 높은 폴리페놀의 한 종류이다(Fuller와 Rao, 2017; Nicoli 등, 1997; Nuhu, 2014). 클로로겐산은 로스팅 과정 중에 분해되어 그 함량이 현저히 줄어들며(Table 3) 클로로겐산에 따른 항산화 활성이 감소할 수 있다(Duarte 등, 2005). 그러나 로스팅 동안 생성된 이성질체, 분해 산물 또는 새로 합성된 물질이 항산화 활성을 가지기 때문에(Moreira 등, 2005; Nicoli 등, 1997) 커피의 전체 항산화 활성에 대해 미치는 영향은 추후 연구가 필요하다.

요 약

지구 온난화로 인해 커피는 기존 재배지인 커피 벨트 이외의 한국, 일본 등의 온대 기후대에서 재배가 시도되고 있다. 국내 환경에서 재배된 커피의 품질을 조사하기 위해 형태학적 변화, 총 폴리페놀, 카페인, 클로로겐산의 함량을 아라비카 커피 3품종(‘Catuai’, ‘Caturra’, ‘Geisha’)에서 로스팅 단계별(green bean, 1st crack, 2nd crack)로 확인하였다. 실험에 사용된 모든 품종에서 로스팅 이후 부피가 커지고 중량은 감소하였다. 모든 시료에서 검출된 총 폴리페놀의 함량은 평균 13.74 mg gallic acid equivalent/g dry weight였다. 그러나 품종, 로스팅 단계, 이 두 요인 간의 상호작용에 의한 함량 변화는 없었다. 카페인 함량은 ‘Catuai’ 원두에서 로스팅 전보다 로스팅 후에 유의하게 감소하였다. 모든 품종의 원두에서 클로로겐산은 로스팅 전보다 로스팅 후에 그 함량이 상당히 감소했다. 본 연구의 결과는 현재 국내에서 생산되는 커피에 대한 자료가 미비한 시점에서 커피의 기초 품질에 관한 정보를 제공할 것으로 생각된다. 또한 국내뿐만 아니라 온대 기후대에서의 커피 재배 가능성과 소득작물로서 시사하는 바이다.

감사의 글

본 연구는 농촌진흥청 연구사업(PJ011862)에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.

Fig 1.

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Fig 1.Beans of Coffea arabica cvs. Catuai, Caturra, and Geisha under each roasting stage. Scale bar=10 mm.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 344-351https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.4.344

Fig 2.

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Fig 2.Representative chromatogram for the standards of caffeine at 278 nm and chlorogenic acid at 325 nm at 0.25, 0.50, and 1.00 mg/mL: caffeine and chlorogenic acid were detected at 9.5 and 9.4 minutes, respectively.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 344-351https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.4.344

Fig 3.

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Fig 3.Representative chromatogram for the contents of caffeine at 278 nm and chlorogenic acid at 325 nm obtained from Coffea arabica cv. Geisha under each roasting stage: caffeine and chlorogenic acid were detected at 9.5 and 9.4 minutes, respectively.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 344-351https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.4.344

Table 1 . Temperatures to roast beans of Coffea arabica cvs. Catuai, Caturra, and Geisha (°C).

CultivarStarting point1st crack2nd crack
Catuai210185231
Caturra210191230
Geisha210196231

Table 2 . Length, width, thickness, volume, and weight of beans of Coffea arabica cvs. Catuai, Caturra, and Geisha during roasting.

CultivarStageLength (mm)Width (mm)Thickness (mm)Volume (m3×10-9)Weight (g per 50 seeds)
CatuaiGreen bean10.24±0.41e1)2)7.29±0.19e3.65±0.18d48.84±7.28f   8.50±0.31b
1st crack11.61±0.35cd8.33±0.62c6.40±2.56b88.79±17.49cd6.33±0.32c
2nd crack12.22±0.67bc9.42±1.03bc5.43±0.53b94.41±14.54c5.97±0.64c
CaturraGreen bean   9.46±0.42f6.82±0.45e4.48±1.35d46.71±6.75f   8.68±0.29b
1st crack11.01±0.22d8.57±0.52c4.86±0.50b83.81±13.17d6.43±0.25c
2nd crack12.81±1.27bc9.23±0.46bc5.52±0.55b91.85±16.52cd6.00±0.70c
GeishaGreen bean12.26±1.05d8.47±0.20d4.38±0.41c67.41±10.58e   12.22±0.23a   
1st crack12.57±1.03ab9.53±0.58ab5.64±0.06a106.78±16.16b   9.43±0.47b
2nd crack12.70±0.12a9.72±0.43a6.12±0.30a116.20±13.86a   8.37±1.00b
Cultivar***************
Stage***************
Cultivar×Stage*ns*ns***

1)Means with standard deviations from ten replicates..

2)Means within a column followed by different letters are significantly different according to Tukey’s honestly significant difference test at P<0.05..

Significant at *P<0.05 or ***P<0.001, respectively. ns: not significant..

Table 3 . Contents of total polyphenols, caffeine, and chlorogenic acid of beans of Coffea arabica cvs. Catuai, Caturra, and Geisha during roasting.

CultivarStageTotal polyphenol (mg GAE eq/g)Caffeine (mg/g)Chlorogenic acid (mg/g)
CatuaiGreen bean     13.80±1.19a1)2)13.66±0.13a36.91±2.18b  
1st crack12.10±0.76a12.74±0.18b3.37±0.22c
2nd crack14.40±0.98a12.28±0.24b1.32±0.19c
CaturraGreen bean14.80±1.27a12.82±0.28b34.88±1.22b  
1st crack13.90±2.43a12.43±0.23b2.64±0.24c
2nd crack13.20±1.55a12.83±0.24b1.48±0.18c
GeishaGreen bean14.10±2.08a12.91±0.38b44.72±1.96a  
1st crack14.35±1.29a12.65±0.25b4.22±0.42c
2nd crack13.07±1.23a12.33±0.29b1.87±0.19c
Cultivarnsns***
Stagens******
Cultivar×Stagens*****

1)Means with standard deviations from ten replicates..

2)Means within a column followed by different letters are significantly different according to Tukey’s honestly significant difference test at P<0.05..

Significant at **P<0.01 or ***P<0.001, respectively. ns: not significant..

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