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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(7): 697-705

Published online July 31, 2022 https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.7.697

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

Quality Characteristics and Acrylamide Content Based on Coffee Bean Roasting Conditions

Eun-Sun Hwang and Sojin Moon

Major in Food and Nutrition, School of Wellness Industry Convergence, Hankyong National University

Correspondence to:Eun-Sun Hwang, Major in Food and Nutrition, School of Wellness Industry Convergence, Hankyong National University, 327, Chungang-ro, Anseong, Gyeonggi 17579, Korea, E-mail: ehwang@hknu.ac.kr
Author information: Eun-Sun Hwang (Professor), Sojin Moon (Student)

Received: February 25, 2022; Revised: June 1, 2022; Accepted: June 9, 2022

This is an 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.

This study was undertaken to investigate the physicochemical quality characteristics, acrylamide, bioactive compound contents, and antioxidant activity of coffee beans after roasting at varying durations. The moisture content of coffee beans was highest in the green beans and decreased sharply with increasing roasting time. Moreover, roasting resulted in a decrease in the crude protein content and an increase in the crude fat content of coffee beans, but there was no significant difference according to the roasting times. Maximum brightness of coffee beans and powder were obtained in the control, the total polyphenols and total flavonoids increased in the initial roasting stage but decreased as the roasting time increased. The antioxidant activity also increased in the initial stage of roasting but decreased as the roasting time exceeded 20 min. The acrylamide content of coffee beans roasted for 5 and 10 min increased to 8.93 and 53.13 ng/g of the sample, respectively, but decreased with roasting times more than 20 min. Taken together, our results indicate that although the antioxidant activity generally increased with heat treatment, excessive roasting for more than 10 min at 180°C led to decomposition of phenolic compounds, reduction of antioxidant activity, and decomposition of acrylamide. Therefore, it is necessary to set optimal roasting conditions for making good quality coffee beans.

Keywords: acrylamide, antioxidant activity, coffee bean, roasting time

커피는 조화로운 맛과 향으로 전 세계적으로 오랫동안 음용되는 기호음료로 커피의 소비량이 꾸준히 증가하면서 일상생활에서 차지하는 비중이 점점 커지고 있다(Lee 등, 2019). 커피는 커피나무에서 수확한 생두(green bean)를 열을 가해 볶아서 원두(roasted bean)로 만드는 로스팅(roasting) 공정을 거쳐 음료로 이용한다(Grigg, 2002). 로스팅을 통해 불쾌한 향미의 생두가 진한 갈색의 원두로 전환되어 커피 품질에 영향을 미치는 중요한 공정으로 소비자의 취향에 따라 다양한 로스팅 방법이 이용되고 있다(Sacchetti 등, 2009). 일반적으로 로스팅 중에 생두의 팽창에 의해 부피가 증가하고 수분량이 감소한다(Kim 등, 2007; 2013). 아울러 마이야르 반응(Maillard reaction)과 스트레커(Strecker) 분해반응, 당과 지방의 분해와 이들 분해 산물들의 상호작용에 의해 다양한 물리・화학적 특성의 변화가 일어나고, 커피 특유의 풍미와 맛이 생성된다(Kim과 Park, 2006; Bortolomeazzi 등, 2012). 커피콩의 화학적 조성은 종, 재배 장소, 토양, 재배 방법, 기후 조건뿐만 아니라 원두의 추가 가공, 즉 세척 및 로스팅 공정 등에 따라 차이가 있으며, 커피 원두에서 약 1,500가지 성분이 확인된 바 있다(Kim과 Park, 2006; Olechno 등, 2020). 커피콩은 탄수화물이 30~40%, 13%의 오일, 4%는 유리 아미노산을 포함한 단백질과 필수지방, chlorogenic acid를 포함한 폴리페놀 화합물, 카페인, 비타민, 미네랄 및 향기 성분을 포함하고 있다(Bae 등, 2014; Tfouni 등, 2012; Suh 등, 2015). 커피에 함유된 폴리페놀 물질들은 항산화 효과가 우수하고 암, 당뇨병, 고혈압, 심혈관질환을 포함한 생활습관성 질병 예방에 효능을 나타내며(Shang 등, 2016; Matsuura 등, 2012), 실제 하루 3~4잔 정도의 커피를 꾸준히 섭취하면 건강 유지에 도움이 되는 것으로 보고되고 있다(Saito 등, 2015; Lee 등, 2019).

선행연구에 따르면 커피의 로스팅 과정 중에 커피 품질에 긍정적인 영향을 주는 항산화 물질들이 생성됨과 동시에 유해 물질로 알려진 아크릴아마이드가 만들어진다고 보고되고 있다(Becalski 등, 2004). 아크릴아마이드는 국제암연구소에 의해 인체에 발암 가능성이 있는 Group 2A carcinogen으로 분류되고 있으며(IARC, 1994), 동물실험에서 흰쥐를 장기간 아크릴아마이드에 노출했을 때, 자궁, 신장, 유선, 고환, 폐, 피부 등에 종양이 유발되는 것을 확인한 바 있다(Gökmen 등, 2008; Lineback 등, 2012). 아크릴아마이드는 발암 성분 이외에도 신경계 이상, 생식기능 이상, 유전적 변이 등을 초래하는 것으로 보고되고 있어 식품 섭취 시 주의가 필요하다.

커피를 비롯하여 베이커리류, 감자와 같이 탄수화물 함량이 높은 식품을 120°C 이상의 고온에서 장시간 굽거나 튀길 때 아크릴아마이드가 형성되는 것으로 알려져 있다(Tareke 등, 2002; Becalski 등, 2004; Bortolomeazzi 등, 2012; Miśkiewicz 등, 2018; Shin 등, 2019). 특히 비효소적 갈변반응 중 하나인 마이야르 반응을 통해 아스파라긴(aspartic acid)을 비롯한 유리 아미노산과 포도당, 과당 등의 환원당이 결합하여 아크릴아마이드를 생성한다(Bagdonaite 등, 2008; Claeys 등, 2005; Constantinou와 Koutsidis, 2016). 일부 연구에 따르면 신선하거나 끓인 식품에는 아크릴아마이드 함량이 감지할 수 없을 정도로 낮지만, 커피콩의 로스팅 과정 중에 아크릴아마이드가 생성된다고 보고하고 있다(Shin 등, 2019).

식품 중 아크릴아마이드의 생성량은 식품의 종류, 조리・가공 온도와 시간 등에 따라 수준차가 크기 때문에 특정 식품의 기준설정이나 섭취량 권고가 쉽지 않은 상황이다(Bortolomeazzi 등, 2012; Constantinou와 Koutsidis, 2016). 미국, 유럽 등의 국가와 WHO, CODEX 등 국제기구에서는 가공 중에 생성되는 아크릴아마이드 함량 측정, 노출량 평가, 독성 평가 및 저감화를 위한 다양한 연구를 진행하고 있다(Constantinou와 Koutsidis, 2016; Shin 등, 2019).

본 연구에서는 커피콩의 로스팅 시간을 달리하여 볶은 커피콩을 제조한 후, 이화학적 품질특성, 아크릴아마이드 형성 정도, 항산화 물질의 함량 및 항산화 활성을 측정하여 커피콩 로스팅과 커피 제조를 위한 기초자료로 활용하고자 하였다.

실험재료 및 시약

커피 생두는 아라비카종인 2021년산 에디오피아의 예가체프 코케 지방의 고도 1,850~2,100 m에서 재배된 G2 등급(Ethiopian Yirgacheffe Kochere G2)을 사용하였다. Gallic acid, catechin, Folin-Ciocalteu’s phenol reagent, 1, 1-dipheny1-2-picrylhydrazyl(DPPH), acrylamide 표준물질 및 내부표준물질인 13C3-labeled acrylamide는 Sigma-Aldrich Chemical Co.(St. Louis, MO, USA)에서 구입하였고, 2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt(ABTS)는 Flunk(Hekdelberg, Germany)에서 구입하였다. 그 외 시약들은 Sigma-Aldrich Chemical Co.와 Juncei Chemical Co., Ltd.(Tokyo, Japan)에서 구입하여 실험에 사용하였다. 아크릴아마이드 분석을 위한 용매는 HPLC grade(J.T. Baker, Phillipsburg, NJ, USA)를 사용하였고, 정제용 칼럼은 Oasis HLB SPE 카트리지(C18, 200 mg, 6 mL, Waters Corp., Milford, MA, USA)와 Bond Elut-AccuCAT SPE 카트리지(C8, 200 mg, 3 mL, Agilent Technologies, Memphis, TN, USA)를 사용하였다. 그 외 시약들은 분석용 등급을 사용하였다.

커피콩 로스팅

커피 생두 150 g을 예열시킨 열풍식 가정용 커피빈 로스팅기(Ottimo coffee roaster, J 150CR, Jina World, Bucheon, Korea)에 넣고 180°C에서 5, 10, 20, 30분 로스팅한 후 실온에서 냉각시켰다. 로스팅하지 않은 생두를 대조군으로 하였다. 로스팅한 커피는 커피 분쇄기(PGR 002M, Supreme Electric Co., Ltd., Guangzhou, China)를 사용하여 850 μm(표준체 No. 20) 이하의 크기가 되도록 분쇄하여 분말화시킨 후, Falcon tube에 넣어 -20°C에서 보관하면서 실험에 사용하였다.

일반성분 함량 측정

커피콩의 일반성분 함량은 AOAC(1995)의 방법에 따라 분석하였다. 수분은 105°C로 맞춘 드라이오븐(EYELA, Tokyo, Japan)에서 건조하여 정량하였고, 조회분은 600°C 회화로(Jeil, Seoul, Korea)에서 회화시켜 측정하였다. 조단백질은 자동 단백질 분석기(Kjeltec 2400 AUT, Foss Tecator, Eden Prairie, MN, USA)를 이용하여 semimicro-Kjeldhl법으로 분석하였고, 조지방은 Soxhlet 추출기(Soxtec System HT 1043, Foss Tecator)를 사용하여 diethyl ether로 추출하여 정량하였다.

커피콩의 가용성 고형물 및 pH 측정

커피콩의 가용성 고형물과 pH를 측정하기 위해 시료를 믹서(KHC-1000, Kitchenart, Seoul, Korea)에 넣고 균일한 크기로 분쇄하였다. 분쇄된 시료 3 g에 증류수 27 mL를 넣고 vortex mixer로 혼합한 후 9,000 rpm에서 10분간 원심분리(Mega17R, Hanil, Seoul, Korea)하여 상등액을 취하였다. 가용성 고형물은 상등액을 당도계(PR-201, Atago, Tokyo, Japan)로 3회 반복 측정 후 평균값으로 나타내었다. pH는 상등액을 pH meter(GMK-875, Mettler Toledo, Greifensee, Switzerland)로 3회 반복 측정 후 평균값으로 나타내었다.

커피콩과 커피콩 분말의 색도 측정

커피콩과 커피콩 분말의 색도는 색차계(Chrome Meter CR-300, Minolta, Tokyo, Japan)를 이용하여 명도(L*, lightness), 적색도(a*, redness), 황색도(b*, yellowness)를 측정하였다. 표준색 보정은 L*, a*, b*값이 각각 97.10, +0.24, +1.75인 백색 표준판을 사용하였다.

총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량

로스팅 조건을 달리하여 제조한 커피콩의 총 폴리페놀 및 플라보노이드 함량은 커피콩 추출물을 만들어 측정하였다. 볶은 커피콩을 분말로 제조한 시료 3 g에 95% 에탄올 12 mL를 넣고 vortex mixer로 균질하게 혼합한 후 9,000 rpm에서 10분간 원심분리하여 상등액을 취해 커피콩 추출액으로 하였다. 총 폴리페놀 측정은 커피콩 추출액 0.2 mL와 10% 2 N-Folin 시약 0.4 mL를 혼합하여 3분 동안 실온에서 반응시킨 후 10% Na2CO3 0.8 mL를 첨가하여 암소에서 1시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 후 microplate reader(Infinite M200 Pro, Tecan Group Ltd., San Jose, CA, USA)를 이용하여 750 nm에서 흡광도를 측정하였다. 커피콩에 함유된 총 폴리페놀 함량은 gallic acid(0~200 μg/mL) 표준곡선을 이용하여 시료 g당 gallic acid equivalent(GAE)로 나타내었다.

총 플라보노이드 측정은 커피콩 추출액 0.1 mL에 증류수 0.5 mL와 5% sodium nitrite 30 μL를 첨가하여 6분 동안 실온에서 반응시킨 후, 10% AlCl3・6H2O 60 μL를 첨가하여 6분 동안 실온에서 반응시켰다. 반응이 끝난 후 1 M NaOH 0.2 mL를 첨가하여 혼합한 후 microplate reader를 이용하여 510 nm에서 흡광도를 측정하였다. 커피콩에 함유된 총 플라보노이드 함량은 quercetin(0~400 μg/mL)의 표준곡선을 통해 시료 g당 quercetin equivalent(QE)로 나타내었다.

항산화 활성 측정

로스팅 시간을 달리하여 제조한 커피콩의 항산화 활성을 DPPH 라디칼 소거 활성(Cheung 등, 2003), ABTS 라디칼 소거 활성(Re 등, 1999) 및 환원력(Oyaizu, 1986)으로 측정하였다. 곱게 마쇄한 커피 분말 5 g에 95% 에탄올 20 mL를 넣어 vortex mixer로 균질하게 혼합한 후 9,000 rpm에서 10분간 원심분리하여 상등액을 취해 커피 추출액으로 하였다.

DPPH 라디칼 소거 활성은 커피 추출액 100 μL와 0.2 mM DPPH 용액 100 μL를 혼합하여 37°C에서 30분간 반응시킨 후 515 nm에서 microplate reader로 흡광도를 측정하였다. 아래 식에 따라 DPPH 라디칼 소거 활성을 계산하였다.

DPPH%=1 ×100

ABTS 라디칼 소거 활성은 실험 시작 24시간 전에 ABTS 양이온을 형성시키기 위해 7.0 mM ABTS와 2.45 mM potassium persulfate를 빛을 차단한 곳에서 반응시켰다. 실험 전에 735 nm에서 흡광도 값이 0.17±0.03이 되도록 에탄올로 희석하여 사용하였다. 흡광도를 맞춘 ABTS 용액 100 μL과 커피 추출액 100 μL를 혼합하여 37°C에서 30분간 반응시킨 후 732 nm에서 흡광도를 측정하였다. 아래 식에 따라 ABTS 라디칼 소거 활성을 계산하였다.

ABTS%=1 ×100

환원력은 커피 추출액 0.5 mL에 20 mM 인산 완충액(pH 6.6) 0.5 mL와 1%의 potassium ferricyanide 0.5 mL를 순서대로 첨가한 후 50°C로 맞춰진 항온수조에서 20분간 반응시켰다. 반응액에 10% trichloroacetic acid 용액을 1 mL 넣어 혼합한 후에 13,500×g에서 15분간 원심분리하여 상등액을 얻었다. 상등액 1 mL에 증류수 및 ferric chloride를 각각 1 mL씩 가하여 혼합한 후 720 nm에서 측정하여 얻은 흡광도 값을 환원력으로 나타냈다.

아크릴아마이드 함량 분석

커피콩을 로스팅하는 과정 중에 생성된 아크릴아마이드 함량은 FDA 분석법(FDA, 2003)을 약간 변형하여 측정하였다. 아크릴아마이드 표준품은 증류수에 1 mg/mL의 농도가 되도록 용해시킨 후 분석에 적합한 농도로 희석하여 사용하였다. 내부 표준원액은 탄소 13 동위원소(13C3)로 치환된 아크릴아마이드를 1 mg/mL의 농도가 되도록 메탄올에 용해시킨 후 0.1% formic acid를 첨가하여 500 mg/mL가 되도록 내부 표준용액을 조제하였다. 곱게 마쇄하여 균질화된 시료 1 g을 50 mL 폴리프로필렌 원심분리용 튜브에 넣고 내부 표준용액 1 mL와 증류수 9 mL를 가한 후 잘 혼합하여 진탕기(BF-60SIR-1, BioFree, Seoul, Korea)에서 300 rpm으로 25분 동안 추출하였다. 추출액은 원심분리기(Mega 17R, Hanil, Seoul, Korea)에서 9,000 rpm의 속도로 30분 동안 1차 원심분리를 하였다. 원심분리하여 얻은 물층 중 5 mL를 취하여 새로운 튜브에 옮기고 7,000 rpm으로 10분간 2차 원심분리하여 A 용액을 얻었다. A 용액을 PVDF syringe filter(13 mm, 0.45 μm, Advantec, Tokyo, Japan)를 사용하여 여과하였다. Oasis HLB SPE 카트리지는 메탄올 3.5 mL와 증류수 3.5 mL로 활성화한 후에 2차 원심분리하여 얻은 A액 1.5 mL를 넣어 통과시킨 후, 물 0.5 mL를 첨가하여 나온 용액은 흘려버리고 증류수 1.5 mL를 다시 넣어 용출시킨 용액을 새로운 튜브에 모았다(B 용액). Bond Elut-AccuCAT SPE 카트리지는 사용 전에 메탄올 2.5 mL와 증류수 2.5 mL로 활성화한 후에 B 용액 1.5 mL를 넣은 뒤, 처음 0.5 mL를 흘려버리고 이후 얻어진 용액 1 mL를 새로운 튜브에 모아 아크릴아마이드 분석에 사용하였다. 아크릴아마이드는 Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry(LC/MS)-2020(Shimadzu, Kyoto, Japan)과 Nexera XR(Shimadzu)로 분석하였다. 분석에 사용한 이동상은 0.1% acetic acid와 0.5% formic acid가 포함된 수용액으로 하였고, MS/MS 이온화 모드는 HESI+, 이온 모니터링은 acrylamide가 72 m/z> 55 m/z를, 13C3-acrylamides는 75 m/z> 58 m/z로 확인하였다.

통계분석

모든 측정은 3회 반복하여 평균(mean)±표준편차(standard deviation)로 나타내었고 분석 결과에 대한 통계 처리는 R-Studio(Version 3.5.1, Boston, MA, USA)를 이용하였으며, ANOVA를 이용하여 각 처리군 간의 유의성을 확인한 후 P<0.05 수준에서 Duncan’s multiple range test를 이용하여 분석하였다.

커피콩의 일반성분 분석

로스팅 시간을 달리하여 제조한 커피콩의 일반성분 분석 결과는 Table 1과 같다. 커피콩의 수분은 대조군인 생두에서 9.05%로 가장 높았고, 로스팅 시간이 5~30분까지 증가함에 따라 수분은 3.93%에서 0.17%까지 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 이는 커피콩이 고온에서 장시간 노출됨에 따라 커피 원두에 있는 수분이 증발한 결과로 사료된다. 커피콩의 조회분 함량은 대조군과 5분 동안 로스팅한 시료에서 3.39% 및 3.56%로 가장 낮았고, 로스팅 시간이 10분에서 30분까지 증가함에 따라 회분 함량도 3.83%에서 4.14%로 증가하였다. 로스팅 강도가 증가함에 따라 조지방 함량은 증가하는 것으로 나타났다. 고온에 장시간 노출된 원두의 수분이 증발하고 커피콩 내부에 함유되어 있던 지방이 표면으로 노출되기 때문으로 사료된다. 커피콩의 조단백질 함량은 대조군에서 0.06%로 가장 높았으나 5~30분 동안 로스팅한 시료에서는 0.03~0.04%로 감소하는 경향을 보였다. 이는 커피 원두의 로스팅 시간이 길어짐에 따라 원두에 들어있는 단백질이 비환원당과 결합하여 갈색의 중합체인 멜라노이딘을 형성하는 데 관여하였기 때문에 단백질의 총량이 감소한 것으로 사료된다. 로스팅 시간에 따른 단백질 함량은 통계적으로 유의성 있는 차이가 없는 것으로 나타났다.

Table 1 . Changes in chemical compositions of coffee beans with different roasting times (%)

Roasting time (min)MoistureAshCrude proteinCrude fat
09.05±0.22a3.39±0.02c0.06±0.03a0.41±0.08d
53.93±0.22b3.56±0.07c0.04±0.00b0.55±0.13c
101.21±0.12c3.83±0.02b0.03±0.02b0.55±0.18c
201.02±0.19c3.95±0.08b0.03±0.02b0.70±0.03b
300.17±0.03d4.14±0.10a0.03±0.01b0.87±0.08a

Data were the mean±SD of triplicate experiment.

Means with the different superscripts (a-d) within the same column are significantly different at P<0.05.



커피콩의 일반성분 함량은 원산지, 품종, 재배지역 등에 따라 차이를 보이며, 일반적으로 생두는 7.8~13%의 수분을 함유하고 있고 로스팅, 분쇄 및 추출을 거치면서 성분 조성이 변한다(Tfouni 등, 2012; Suh 등, 2015). 커피콩에는 리놀산, 올레인산, 리놀렌산 등의 지방산이 풍부하며, 로스팅 과정을 통해 이들 지방 성분은 커피콩 표면으로 이동하여 표면에 기름기를 맺히게 하고 커피콩에서 수분이 증발하면서 조직이 다공질의 구조로 변화되어 산화를 촉진하며, 이러한 일련의 변화들은 커피의 풍미와 맛에 변화를 주는 요인으로 작용한다(Kang 등, 2015; Saud와 Salamatullah, 2021).

커피콩의 가용성 고형물 및 pH 측정

커피콩의 가용성 고형물과 pH 측정 결과는 Table 2에 제시하였다. 대조군의 가용성 고형물은 4.80 brix로 나타났고 로스팅 시간이 증가함에 따라 4.57~5.00까지 변화하는 것을 관찰하였다. 커피 추출물의 가용성 고형물은 커피의 품종, 로스팅 정도, 분쇄한 입자의 크기, 추출방식 및 추출온도 등에 따라 다르다(Seo 등, 2003; Toci와 Farah, 2008; Hwang 등, 2013). 특히 커피콩의 분쇄 입자 크기가 작을수록 추출하는 물과 접촉하는 커피 입자의 표면적이 넓어져 추출되는 가용성 고형물 함량이 높고, 생두에 비해 고온에서 로스팅한 커피콩에서 수용성 고형물이 더 많이 추출될 수 있다(Seo 등, 2003; Toci와 Farah, 2008; Lee 등, 2017).

Table 2 . Soluble solid contents and pH of coffee beans with different roasting times

Roasting time (min)Soluble solid contents (Brix)pH
04.80±0.00b5.77±0.00b
55.00±0.00a5.30±0.00d
104.80±0.00b5.27±0.00e
205.00±0.00a5.51±0.00c
304.57±0.06c6.46±0.00a

Data were the mean±SD of triplicate experiment.

Means with the different superscripts (a-e) within the same column are significantly different at P<0.05.



pH의 경우 대조군에서 5.77로 가장 높았고, 로스팅을 5분에서 10분까지 진행하면서 pH도 5.30에서 5.27로 감소하는 경향을 보이다가 로스팅 시간이 20분 이상 길어짐에 따라 5.51에서 6.46으로 다소 증가하는 것을 확인하였다. 커피의 pH는 원두의 종류, 수확 후 저장기간, 로스팅 온도와 추출방법, 추출온도 및 추출시간 등에 따라 차이가 있으며, 커피의 신맛과 풍미를 결정짓는 매우 주요한 품질 요인이다(Pérez-Martínez 등, 2008). 액상 커피의 pH는 커피 분말의 추출온도에 따라 다르며, 일반적으로 pH 4.80~5.75를 나타내고 따뜻한 물로 추출한 커피의 pH가 더 낮은데 이는 온도가 높을수록 유기산의 용해도가 증가하기 때문이다(Rao 등, 2020). 커피에는 chlorogenic acid, caffeic acid, quinic acid 등과 같은 다양한 유기산들이 포함되어 있으며, 추출액 중에 수용성 물질이 많이 포함되어 있고 pH가 낮아져 신맛 강도가 높아지는 것으로 알려져 있다(Sivetz와 Desrosier, 1979).

본 연구에서도 커피콩의 로스팅 시간이 20분 이상으로 길어지고 로스팅 온도가 높아짐에 따라 커피에 함유된 chlorogenic acid의 분해가 촉진되며, 고분자의 유기산들이 저분자로 분해되고 acetic acid와 formic acid와 같은 휘발성 유기산이 휘발되어 pH가 증가한 것으로 사료된다(So 등, 2014). Kang 등(2015)의 연구에 따르면 생두에 비해 로스팅한 커피에서 acetic acid, propionic acid, oxalic acid, citric acid, fumaric acid 함량이 증가하고, 특히 생두에서는 휘발성의 acetic acid 함량이 높았으나 로스팅 후에는 fumaric acid 함량이 높음을 확인하였다.

커피콩의 색도 측정

로스팅한 커피콩의 외관은 Fig. 1에 나타내었고, 커피콩 및 커피 분말의 색도 측정 결과는 Table 3과 같다. 생두는 옅은 초록색을 나타냈지만, 로스팅한 커피콩은 옅은 갈색~흑갈색을 나타냈으며 로스팅 시간에 비례하여 색이 짙어지고 수분이 증발하면서 고온에서 팽화 작용으로 부피가 증가하는 것을 확인하였다. 색도 측정 결과 커피콩의 명도(L*)는 로스팅하지 않은 대조군에서 43.77로 가장 높았고, 로스팅 시간이 5~30분으로 증가함에 따라 명도 값은 30.70에서 11.52로 급속히 감소하였다. 적색도(a*)는 대조군에서 0.38이었고 로스팅 초기인 5분까지는 8.93까지 증가하였으나, 로스팅 시간이 길어질수록 2.36까지 감소하는 경향을 보였다. 이는 로스팅이 과도하게 진행되면서 커피콩 표면색이 갈색과 짙은 갈색을 거쳐 검은색에 가깝게 변했기 때문으로 사료된다. 황색도(b*)는 대조군에서 15.62였고 5분 동안 로스팅한 시료에서는 19.10으로 증가하였으나, 로스팅 시간이 10분 이상 계속되면서 황색도 값은 10.37에서 4.16까지 감소하였다. 커피 분말의 색도도 커피콩과 유사한 결과를 나타냈다. 커피 분말의 명도(L*)는 로스팅하지 않은 대조군에서 46.24로 가장 높았고 로스팅 시간이 5~30분으로 증가함에 따라 명도 값은 38.13에서 31.36으로 감소하였으나, 커피콩에 비해 급격한 감소는 나타나지 않았다. 적색도(a*)는 대조군에서 0.25였고 로스팅 초기인 5분까지는 4.35까지 증가하였으나, 로스팅 시간이 10분에서 30분까지 길어질수록 적색도 값은 2.12에서 0.30까지 감소하였다. 황색도(b*)는 대조군에서 7.67이었고 5분 동안 로스팅한 시료에서는 8.09로 약간 증가하였으나, 로스팅 시간이 10분 이상 지속되면서 1.90에서 -0.23까지 급격히 감소하였다.

Table 3 . Changes in Hunter’s color value of coffee beans and powder with different roasting times

Roasting time (min)Coffee beanCoffee powder
LabLab
043.77±0.54a0.38±0.02e15.62±2.43b46.24±0.14a0.25±0.15d7.67±0.41a
530.70±0.27b8.93±0.50a19.10±1.00a38.13±0.05b4.35±0.25a8.09±0.27a
1024.26±0.48c7.16±0.49b10.37±0.98c32.28±0.11c2.12±0.10b1.90±0.21b
2020.78±0.37d5.73±0.31c8.71±0.67c31.60±0.13d1.19±0.08c0.70±0.15c
3011.52±0.47e2.36±0.09d4.16±0.04d31.36±0.13e0.30±0.01d−0.23±0.02d

Data were the mean±SD of triplicate experiment.

Means with the different superscripts (a-e) within the same column are significantly different at P<0.05.



Fig. 1. Coffee beans prepared with different roasting time.

커피의 색도는 기호성에 영향을 주는 중요한 요인 중 하나로, 생두를 로스팅하는 과정에서 커피에 함유된 아미노산의 아미노기와 환원당의 카보닐기가 반응하는 마이야르 반응과 캐러멜화 반응에 의해 멜라노이딘 색소가 형성된다(Constantinou와 Koutsidis, 2016). 선행연구에서도 커피콩의 로스팅 시간이 증가함에 따라 명도와 황색도가 감소하고, 210°C에서 210초 정도로 약하게 로스팅한 경우에는 적색도가 증가하다가 220~230°C에서 230~250초까지 로스팅하면 적색도 값이 감소하는 것으로 보고하여 본 연구와 유사한 결과를 나타냈다(Kim 등, 2013; Kang 등, 2015).

커피콩의 총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량 분석

로스팅 시간을 달리하여 제조한 커피콩의 총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량을 측정한 결과는 Table 4와 같다. 대조군의 총 폴리페놀 함량은 172.68 μg GAE/g으로 나타났고, 로스팅 시간이 5분에서 10분까지 길어짐에 따라 총 폴리페놀도 204.71 μg에서 321.66 μg으로 증가했는데, 이는 대조군에 비해 각각 1.19배 및 1.86배 증가한 수치였다. 그러나 로스팅 시간이 20분 및 30분으로 증가하면 총 폴리페놀 함량은 각각 165.16 μg 및 68.59 μg으로 나타나 대조군에 비해 0.96배 및 0.40배 더 감소하였다. 총 플라보노이드 함량도 총 폴리페놀 함량과 유사한 경향을 나타냈다. 즉, 대조군의 총 플라보노이드 함량은 103.92 μg QE/g이었고, 로스팅 시간이 5분에서 10분까지 길어짐에 따라 총 플라보노이드 함량도 127.45 μg에서 160.17 μg으로 증가했는데, 이는 대조군에 비해 각각 1.23배 및 1.54배 증가한 수치였다. 그러나 로스팅 시간이 20분 및 30분으로 증가하면서 총 플라보노이드 함량은 각각 115.57 μg 및 61.43 μg으로 감소하였다.

Table 4 . Total polyphenol and flavonoid contents of coffee bean with different roasting times

Roasting time (min)Total polyphenols (μg GAE1)/g)Total flavonoids (μg QE2)/g)
0172.68±2.50c103.92±1.46d
5204.71±8.16b127.45±0.99b
10321.66±1.70a160.17±1.34a
20165.16±4.23d115.57±2.04c
3068.59±0.77e61.43±0.13e

Values with the different superscripts (a-e) within the same column are significantly different at P<0.05.

1)GAE=gallic acid equivalent. 2)QE=quercetin equivalent.



식물체에 함유된 폴리페놀 함량은 식물의 품종, 성숙단계, 수확시기, 일조량과 강수량 등을 포함한 기후 조건, 토양 구성 물질 등에 의해 영향을 받는다(Tsao, 2010; Olechno 등, 2020). 아울러 식품의 저장온도 및 기간이나 열처리 가공 등에 의해서도 달라진다(Tsao, 2010). 커피콩도 고온의 로스팅 과정을 거치면서 원물에 함유된 폴리페놀 함량에 변화가 있다. Farah와 Donangelo(2006)는 로스팅 중에 총 페놀 화합물의 농도는 다소 증가하다가 최종적으로는 감소하는 경향이 나타난다고 보고하였고, Kim과 Han(2009)은 로스팅 시간이 진행됨에 따라 총 페놀 화합물 함량이 다소 감소한다고 보고하였다. 또한, Nam과 Kang(2015)의 연구에 따르면 총 페놀 함량은 생두에 비해 200°C에서 로스팅한 커피에서 7.2% 정도의 손실이 있었고, 250°C에서는 커피콩의 품종별로 26.6~42.1%까지 총 폴리페놀 함량이 감소한다고 보고하여 본 연구와 유사한 결과를 나타냈다. 커피의 페놀 화합물 중 가장 많은 부분을 차지하는 chlorogenic acid는 로스팅 공정 중에 가수분해, 분해작용을 거쳐 quinolactone이나 melanoidin으로 전환되므로(Kim과 Han, 2009) 로스팅 강도가 강해질수록 chlorogenic acid 함량은 감소한다(Suh 등, 2015). 본 연구 결과에서도 로스팅 초기인 5~10분 사이에서는 생두에 비해 총 폴리페놀 화합물의 함량이 증가하였으나, 로스팅이 20분 이상 계속됨에 따라 총 폴리페놀 함량이 감소하는 것을 확인하였다.

커피콩의 DPPH와 ABTS 라디칼 소거 활성 분석

로스팅 시간을 달리하여 제조한 커피콩의 DPPH와 ABTS 라디칼 소거 활성 및 환원력을 측정한 결과는 Table 5와 같다. 로스팅하지 않은 대조군의 DPPH 라디칼 소거 활성은 39.07%로 나타났고 5분 동안 로스팅한 경우는 41.09%, 10분간 로스팅한 시료에서는 61.05%로 DPPH 라디칼 소거 활성이 높아졌으며, 이는 대조군에 비해 DPPH 라디칼 소거 활성이 각각 1.05배 및 1.56배 증가한 수치였다. 그러나 로스팅 시간이 20분 이상 증가함에 따라 DPPH 라디칼 소거 활성은 32.85%에서 11.42%까지 급속히 감소하였다. ABTS 라디칼 소거 활성은 대조군에서 42.40%로 가장 낮게 나타났고 로스팅이 5분에서 10분까지 계속됨에 따라 57.17%에서 72.95%로 증가했으며, 이는 대조군에 비해 ABTS 라디칼 소거 활성이 각각 1.35배 및 1.72배 증가한 수치였다. 로스팅이 20분 이상 계속되더라도 ABTS 라디칼 소거 활성은 10분 동안 로스팅한 시료에 비해 약간 감소하였으나, DPPH 라디칼 소거 활성처럼 급속히 감소하는 경향은 나타나지 않았고 70.14~70.53%의 ABTS 라디칼 소거 활성을 나타냈다. 환원력은 700 nm에서의 흡광도 값으로 나타냈는데, 로스팅하지 않은 대조군에서는 흡광도가 0.8129였고 로스팅이 5~10분 동안 진행되면서 0.9295까지 증가하였다. 그러나 로스팅이 20분 이상 진행됨에 따라 환원력은 0.8575에서 0.8361로 다소 감소하였고, 이는 DPPH 라디칼 소거 활성과 유사한 경향을 보이는 것을 확인하였다.

Table 5 . Antioxidant activities of coffee bean with different roasting times

Roasting time (min)DPPH radical scavenging (%)ABTS radical scavenging (%)Reducing power
039.07±1.35b42.40±0.82c0.8129±0.01c
541.09±2.41b57.17±0.72b0.8233±0.01c
1061.05±0.72a72.95±0.38a0.9295±0.02a
2032.85±1.31b70.14±1.14ab0.8575±0.02b
3011.42±13.14c70.53±1.16ab0.8361±0.02bc

Data were the mean±SD of triplicate experiment.

Means with the different superscripts (a-c) within the same column are significantly different at P<0.05.



로스팅에 따른 항산화 활성에 대한 결과는 분분하다. 그 이유는 커피콩의 종류, 품종, 로스팅 시간과 온도에 대한 기준이나 기호도가 다르기 때문으로 사료된다. Sacchetti 등(2009)은 중로스팅 시에 항산화력이 증가하다가 강로스팅 시에는 감소한다는 보고도 있으며, 로스팅 정도에 따라 항산화력이 증가하기도 하고 감소하기도 하는 상반된 결과가 있다. Rhi와 Shin(1993)은 원두커피에서 얻은 갈색 추출물의 항산화력은 로스팅 시간이 16분 경과 시까지는 증가하였고, 16분 이후에는 항산화력이 오히려 감소했다고 보고했다. 이는 로스팅 온도 210°C에서 16분 로스팅할 때 생성된 항산화 물질이 그 이상 가열하면 분해되기 때문이다. Kim과 Han(2009)의 연구에서도 커피의 물 추출물에서 항산화 활성은 로스팅 시간에 따라 다름을 보고하였다. 즉, 로스팅 시간이 0~10분까지는 커피 추출물에서 항산화 활성이 증가하였으나, 20분 동안 로스팅한 경우는 항산화 활성이 감소하였고 25분에서는 가장 낮은 항산화 활성을 보였다. 선행연구에서도 로스팅 시간에 따라 갈색도와 항산화 활성이 비례관계를 보이다가 14분을 기전으로 오히려 항산화성이 다소 감소한다고 보고하였다(Kim과 Park, 2006). 이는 커피 속에 함유된 대표적인 폴리페놀 물질인 chlorogenic acid가 항산화 효능을 보이는데, 로스팅이 진행됨에 따라 열분해가 일어나 항산화 활성이 감소하는 것으로 사료된다(Kim과 Han, 2009). 이상의 결과를 통해 일반적으로 열처리 과정을 통해 항산화 활성이 증가하지만, 지나치게 과도한 열처리는 페놀 화합물의 분해로 이어져 항산화 활성이 감소하므로 커피의 항산화 활성을 최고로 유지하기 위해서는 적절한 로스팅 시간 및 온도 설정이 필요한 것으로 사료된다.

커피콩의 아크릴아마이드 함량 분석

로스팅 시간을 달리하여 제조한 커피콩의 아크릴아마이드 분석 결과는 Fig. 2와 같다. 생원두에는 아크릴아마이드가 함유되어 있지 않았지만, 로스팅이 진행됨에 따라 아크릴아마이드가 생성되는 것을 관찰하였다. 5분 동안 로스팅한 커피콩의 아크릴아마이드 함량은 시료 1 g당 8.93 ng으로 비교적 낮게 검출되었으나, 로스팅 시간이 10분으로 길어짐에 따라 아크릴아마이드는 53.13 ng으로 증가하였다. 그러나 커피콩의 로스팅 시간이 20분 이상 지속되면서 아크릴아마이드는 8.33 ng으로 감소하였고 30분 동안 로스팅한 경우는 4.97 ng까지 감소하였다. 총 폴리페놀과 총 플라보노이드 함량 및 항산화 활성, 아크릴아마이드 생성 등을 종합적으로 고려하여 커피 원두의 로스팅 조건을 설정하는 것이 필요하며, 180°C에서 10분 이상의 과도한 로스팅은 바람직하지 않은 것으로 사료된다. 선행연구에서도 아크릴아마이드는 아스파라긴과 환원성의 당류를 100°C 이상의 온도로 가열하면 생성되기 시작하여 160~180°C에서 가장 많은 양이 생성되며, 200°C 이상의 고온에서는 그 양이 감소하는 것으로 알려져 있다(De Vleeschouwer 등, 2010).

Fig. 2. Acrylamide concentration (ng/g) of coffee beans prepared with different roasting time. Means with the different letters (a-c) above bars are significantly different at P<0.05. nd: not detected.

커피콩의 품종에 따라 아크릴아마이드 생성량이 달라진다. 선행연구에 따르면 로부스타 종에서 가장 많은 양의 아크릴아마이드가 생성되었고 아라비카 커피콩에서는 가장 적은 양의 아크릴아마이드가 생성되었으며, 같은 아라비카 원두에서도 품질에 따라 아크릴아마이드 생성량에 차이를 보였는데, 고품질의 원두가 저품질의 원두에 비해 아크릴아마이드 생성이 감소하였다(Bagdonaite와 Murkovic, 2004).

Shin 등(2019)의 연구에서도 원산지가 다른 4종류의 아라비카와 로부스타 품종의 커피콩을 170°C에서 로스팅했을 때 아크릴아마이드 함량이 최대치에 이르렀고, 180~200°C까지 온도를 높여 로스팅하게 되면 아크릴아마이드 함량이 오히려 감소하는 것을 확인하였다. 이를 통해 커피콩을 장시간에 걸쳐 로스팅하지 않고 고온에서 짧은 시간 로스팅하는 것이 아크릴아마이드 생성을 최소화할 수 있을 것으로 사료된다. 커피를 고온에서 볶는 과정에서 아크릴아마이드가 다량 생성될 수 있으므로 열처리 중 생성되는 아크릴아마이드를 감소시키기 위해 볶는 시간 및 온도를 조절하여 아크릴아마이드 생성을 감소시키기 위한 연구가 일부 진행되고 있다(Constantinou와 Koutsidis, 2016; Suh 등, 2015). 일반적으로 커피를 볶는 초기에는 아크릴아마이드 생성이 급속도로 증가하다가 볶는 과정을 거치면서 아크릴아마이드가 분해되어 다른 물질로 전환됨에 따라 아크릴아마이드 함량 자체는 감소하는 것으로 보고되고 있다(Suh 등, 2014; Shin 등, 2019). 아크릴아마이드는 고온에서 장시간 가열할 때 생성량이 증가하고, 지나친 열처리를 통해 분해되어 다양한 분해 산물을 생성하는 것으로 알려져 있다. 아크릴아마이드의 독성에 관해서는 많은 연구 보고가 진행되어 그 유해성에 대해 알고 있지만, 분해 산물에 관한 연구가 미비한 실정이고 앞으로 다양한 연구를 통한 물질 규명, 유해성 및 독성에 관한 연구가 필요하다. 따라서 커피콩 로스팅 시 생성되는 아크릴아마이드와 분해 물질들의 생성을 최소화하기 위해 적절한 로스팅 조건을 설정하는 것이 필요할 것으로 사료된다.

로스팅 시간과 강도를 달리하여 커피콩을 제조한 후, 커피콩의 품질특성, 항산화 활성 및 아크릴아마이드 함량을 측정하였다. 커피콩의 수분 함량은 대조군인 생두에서 9.05%로 가장 높았고, 로스팅 시간이 5~30분까지 증가함에 따라 수분 함량은 3.93%에서 0.17%까지 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 로스팅 강도가 증가함에 따라 조지방 함량은 증가하는 것으로 나타났고, 조단백질 함량은 대조군에서 0.06%로 가장 높았으나 로스팅 시간에 따른 통계적으로 유의성 있는 차이는 나타나지 않았다. 가용성 고형물은 로스팅 시간이 증가함에 따라 4.57~5.00까지 변화하였으며, pH는 대조군에서 5.77로 가장 높았고 로스팅 5~10분까지는 5.30에서 5.27로 감소하다가 20분 이상 로스팅을 진행함에 따라 pH가 다소 증가하였다. 커피콩과 커피 분말의 명도는 대조군에서 가장 높았고 로스팅 시간이 5~30분으로 증가함에 따라 급속히 감소하였다. 적색도와 황색도는 로스팅 초기인 5분까지는 증가하다가 로스팅 시간이 길어질수록 감소하는 경향을 보였다. 총 폴리페놀과 총 플라보노이드 함량은 대조군에 비해 로스팅 시간이 5분에서 10분까지 길어짐에 따라 증가하였으나, 로스팅 시간이 20분 및 30분으로 증가하면 감소하였다. DPPH 라디칼 소거 활성과 환원력도 로스팅 초기에는 증가하다가 로스팅 시간이 20분 이상 길어짐에 따라 감소하였다. 생원두에는 아크릴아마이드가 함유되어 있지 않았지만, 5~10분 동안 로스팅한 커피콩의 아크릴아마이드 함량은 시료 1 g당 각각 8.93~53.13 ng으로 증가하였다. 그러나 커피콩의 로스팅 시간이 20분 이상 지속되면 아크릴아마이드는 8.33 ng으로 감소하였고 30분 동안 로스팅한 경우는 4.97 ng까지 감소하였다. 이상의 결과를 통해 일반적으로 열처리 과정을 통해 항산화 활성이 증가하지만, 180°C에서 10분 이상 과도한 로스팅은 페놀 화합물의 분해로 이어져 항산화 활성의 감소 및 아크릴아마이드 생성 및 분해로 이어지므로 바람직하지 않으며, 향후 커피콩에 대한 최적의 로스팅 시간 및 온도 설정이 필요한 것으로 사료된다.

본 연구는 한국연구재단 기본연구지원사업(과제번호 2021R1F1A1060605)의 지원에 의해 이루어진 것이며, 그 지원에 감사드립니다.

  1. AOAC. Official methods of analysis of AOAC International. 16th ed. Association of Official Analytical Chemists, Washington, DC, USA. 1995. p 1-26.
  2. Bae JH, Park JH, Im SS, Song DK. Coffee and health. Integr Med Res. 2014. 3:189-191.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  3. Bagdonaite K, Derler K, Murkovic M. Determination of acrylamide during roasting of coffee. J Agric Food Chem. 2008. 56:6081-6086.
    Pubmed CrossRef
  4. Bagdonaite K, Murkovic M. Factors affecting the formation of acrylamide in coffee. Czech J Food Sci. 2004. 22(S):22-24.
    CrossRef
  5. Becalski A, Lau BPY, Lewis D, Seaman SW, Hayward S, Sahagian M, et al. Acrylamide in French fries:  Influence of free amino acids and sugars. J Agric Food Chem. 2004. 52:3801-3806.
    Pubmed CrossRef
  6. Bortolomeazzi R, Munari M, Anese M, Verardo G. Rapid mixed mode solid phase extraction method for the determination of acrylamide in roasted coffee by HPLC-MS/MS. Food Chem. 2012. 135:2687-2693.
    Pubmed CrossRef
  7. Cheung LM, Cheung PCK, Ooi VEC. Antioxidant activity and total phenolics of edible mushroom extracts. Food Chem. 2003. 81:249-255.
    CrossRef
  8. Claeys WL, De Vleeschouwer K, Hendrickx ME. Quantifying the formation of carcinogens during food processing: acrylamide. Trends Food Sci Technol. 2005. 16:181-193.
    CrossRef
  9. Constantinou C, Koutsidis G. Investigations on the effect of antioxidant type and concentration and model system matrix on acrylamide formation in model Maillard reaction systems. Food Chem. 2016. 197:769-775.
    Pubmed CrossRef
  10. De Vleeschouwer K, Van der Plancken I, Van Loey A, Hendrickx ME. The effect of high pressure-high temperature processing conditions on acrylamide formation and other Maillard reaction compounds. J Agric Food Chem. 2010. 58:11740-11748.
    Pubmed CrossRef
  11. Farah A, Donangelo CM. Phenolic compounds in coffee. Braz J Plant Physiol. 2006. 18:23-36.
    CrossRef
  12. FDA. Detection and Quantitation of Acrylamide in Foods. 2003 [cited 2019 Jan 21]. Available from: https://www.fda.gov/food/chemicals/detection-and-quantitation-acrylamide-foods
  13. Gökmen V, Açar ÖÇ, Serpen A, Morales FJ. Effect of leavening agents and sugars on the formation of hydroxymethylfurfural in cookies during baking. Eur Food Res Technol. 2008. 226:1031-1037.
    CrossRef
  14. Grigg D. The worlds of tea and coffee: Patterns of consumption. GeoJournal. 2002. 57:283-294.
    CrossRef
  15. Hwang SH, Kim KS, Kang HJ, Kim MJ. Phenolic compound contents and antioxidative effects on Dutch coffee by extraction time. Korean Public Health Research. 2013. 39(2):21-29.
  16. International Agency for Research on Cancer. IARC Monographs on the evaluation of carcinogenic risks to humans-Some industrial chemicals. IARC Publications, Lyon, France. 1994. Vol 60, p 560.
  17. Kang RK, Min KS, Kang MH. Physicochemical properties of Supremo coffee according to grinding and brewing conditions. J Korean Soc Food Sci Nutr. 2015. 44:89-96.
    CrossRef
  18. Kim HK, Hwang SY, Yoon SB, Chun DS, Kong SK, Kang KO. A study of the characteristics of different coffee beans by roasting and extracting condition. Korean J Food Nutr. 2007. 20:14-19.
  19. Kim JY, Han YS. Influence of roasting time on antibacterial and antioxidative effects of coffee extract. Korean J Food Cook Sci. 2009. 25:496-505.
  20. Kim KJ, Park SK. Changes in major chemical constituents of green coffee beans during the roasting. Korean J Food Sci Technol. 2006. 38:153-158.
  21. Kim SE, Kim JH, Lee SW, Lee MJ. A study of roasting conditions on benzo[a]pyrene content in coffee beans. J Korean Soc Food Sci Nutr. 2013. 42:134-138.
    CrossRef
  22. Lee JS, Park HS, Han S, Tana G, Chang MJ. Study on relationship between caffeine intake level and metabolic syndrome and related diseases in Korean adults: 2013~2016 Korea National Health and Nutrition Examination Survey. J Nutr Health. 2019. 52:227-241.
    CrossRef
  23. Lee KS, Kim JM, Yoon KY. Physicochemical properties, bioactive composition, and antioxidant activity of different coffee beans dependent on the cultivation region. Korean J Food Sci Technol. 2017. 49:474-479.
  24. Lineback DR, Coughlin JR, Stadler RH. Acrylamide in foods: A review of the science and future considerations. Annu Rev Food Sci Technol. 2012. 3:15-35.
    Pubmed CrossRef
  25. Matsuura H, Mure K, Nishio N, Kitano N, Nagai N, Takeshita T. Relationship between coffee consumption and prevalence of metabolic syndrome among Japanese civil servants. J Epidemiol. 2012. 22:160-166.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  26. Miśkiewicz K, Nebesny E, Rosicka-Kaczmarek J, Żyżelewicz D, Budryn G. The effects of baking conditions on acrylamide content in shortcrust cookies with added freeze-dried aqueous rosemary extract. J Food Sci Technol. 2018. 55:4184-4196.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  27. Nam S, Kang S. Changes of biochemical components and physiological activities of coffee beans according to different roasting conditions. Korean J Food Preserv. 2015. 22:182-189.
    CrossRef
  28. Olechno E, Puścion-Jakubik A, Markiewicz-Żukowska R, Socha K. Impact of brewing methods on total phenolic content (TPC) in various types of coffee. Molecules. 2020. 25:5274. https://doi.org/10.3390/molecules25225274
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  29. Oyaizu M. Studies on products of browning reaction-Antioxidative activities of products of browning reaction prepared from glucosamine. Jpn J Nutr Diet. 1986. 44:307-315.
    CrossRef
  30. Pérez-Martínez M, Sopelana P, de Peña MP, Cid C. Effects of refrigeration and oxygen on the coffee brew composition. Eur Food Res Technol. 2008. 227:1633-1640.
    CrossRef
  31. Rao NZ, Fuller M, Grim MD. Physiochemical characteristics of hot and cold brew coffee chemistry: The effects of roast level and brewing temperature on compound extraction. Foods. 2020. 9:902. https://doi.org/10.3390/foods9070902
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  32. Re R, Pellegrini N, Proteggente A, Pannala A, Yang M, Rice-Evans C. Antioxidant activity applying an improved ABTS radical cation decolorization assay. Free Radic Biol Med. 1999. 26:1231-1237.
    CrossRef
  33. Rhi JW, Shin HS. Antioxidative effect of brown materials extracted from roasted coffee beans. Korean J Food Sci Technol. 1993. 25:220-224.
  34. Sacchetti G, Mattia CD, Pittia P, Mastrocola D. Effect of roasting degree, equivalent thermal effect and coffee type on the radical scavenging activity of coffee brews and their phenolic fraction. J Food Eng. 2009. 90:74-80.
    CrossRef
  35. Saito E, Inoue M, Sawada N, Shimazu T, Yamaji T, Iwasaki M, et al. Association of coffee intake with total and cause-specific mortality in a Japanese population: the Japan public health center-based prospective study. Am J Clin Nutr. 2015. 101:1029-1037.
    Pubmed CrossRef
  36. Saud S, Salamatullah AM. Relationship between the chemical composition and the biological functions of coffee. Molecules. 2021. 26:7634. https://doi.org/10.3390/molecules26247634
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  37. Seo HS, Kim SH, Hwang IK. Comparison on physicochemical properties and antioxidant activities of commonly consumed coffees at coffee shops in Seoul downtown. Korean J Food Cook Sci. 2003. 19:624-630.
  38. Shang F, Li X, Jiang X. Coffee consumption and risk of the metabolic syndrome: A meta-analysis. Diabetes Metab. 2016. 42:80-87.
    Pubmed CrossRef
  39. Shin JM, Kim OH, Lee ES, Kim MS, Ryu HJ, Kim HJ, et al. Acrylamide monitoring in coffee using LC-MS/MS. Report of SIHE. 2019. 55:11-19.
  40. Sivetz M, Desrosier NW. Coffee technology. Avi Publishing Co., Inc., Westport, CT, USA. 1979. p 527-575.
  41. So YJ, Lee MW, Yoo KM, Kang HJ, Wang IK. Physicochemical characteristics and antioxidant activity of Dutch coffee depending on different extraction conditions and storage. Korean J Food Sci Technol. 2014. 46:671-676.
    CrossRef
  42. Suh YS, Lee SH, Shang Y, Lee WJ. Effects of roasting conditions on the physicochemical properties of Coffea arabica beans. Korean J Food Preserv. 2015. 22:690-698.
    CrossRef
  43. Suh YS, Lee SH, Shang Y, Yoon JR, Lee WJ. Changes in antioxidant activities and flavor patterns of Coffea arabica beans during roasting. Korean J Food Preserv. 2014. 21:224-230.
    CrossRef
  44. Tareke E, Rydberg P, Karlsson P, Eriksson S, Törnqvist M. Analysis of acrylamide, a carcinogen formed in heated foodstuffs. J Agric Food Chem. 2002. 50:4998-5006.
    Pubmed CrossRef
  45. Tfouni SAV, Serrate CS, Carreiro LB, Camargo MCR, Teles CRA, Cipolli KMVAB, et al. Effect of roasting on chlorogenic acids, caffeine and polycyclic aromatic hydrocarbons levels in two Coffea cultivars: Coffea arabica cv. Catuaí Amarelo IAC-62 and Coffea canephora cv. Apoatã IAC-2258. Int J Food Sci Technol. 2012. 47:406-415.
    CrossRef
  46. Toci AT, Farah A. Volatile compounds as potential defective coffee beans’ markers. Food Chem. 2008. 108:1133-1141.
    Pubmed CrossRef
  47. Tsao R. Chemistry and biochemistry of dietary polyphenols. Nutrients. 2010. 2:1231-1246.
    Pubmed KoreaMed CrossRef

Article

Article

Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51(7): 697-705

Published online July 31, 2022 https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.7.697

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

커피콩 로스팅 조건에 따른 품질특성 및 아크릴아마이드 함량

황은선․문소진

한경대학교 웰니스산업융합학부 식품영양학전공

Received: February 25, 2022; Revised: June 1, 2022; Accepted: June 9, 2022

Quality Characteristics and Acrylamide Content Based on Coffee Bean Roasting Conditions

Eun-Sun Hwang and Sojin Moon

Major in Food and Nutrition, School of Wellness Industry Convergence, Hankyong National University

Correspondence to:Eun-Sun Hwang, Major in Food and Nutrition, School of Wellness Industry Convergence, Hankyong National University, 327, Chungang-ro, Anseong, Gyeonggi 17579, Korea, E-mail: ehwang@hknu.ac.kr
Author information: Eun-Sun Hwang (Professor), Sojin Moon (Student)

Received: February 25, 2022; Revised: June 1, 2022; Accepted: June 9, 2022

This is an 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

This study was undertaken to investigate the physicochemical quality characteristics, acrylamide, bioactive compound contents, and antioxidant activity of coffee beans after roasting at varying durations. The moisture content of coffee beans was highest in the green beans and decreased sharply with increasing roasting time. Moreover, roasting resulted in a decrease in the crude protein content and an increase in the crude fat content of coffee beans, but there was no significant difference according to the roasting times. Maximum brightness of coffee beans and powder were obtained in the control, the total polyphenols and total flavonoids increased in the initial roasting stage but decreased as the roasting time increased. The antioxidant activity also increased in the initial stage of roasting but decreased as the roasting time exceeded 20 min. The acrylamide content of coffee beans roasted for 5 and 10 min increased to 8.93 and 53.13 ng/g of the sample, respectively, but decreased with roasting times more than 20 min. Taken together, our results indicate that although the antioxidant activity generally increased with heat treatment, excessive roasting for more than 10 min at 180°C led to decomposition of phenolic compounds, reduction of antioxidant activity, and decomposition of acrylamide. Therefore, it is necessary to set optimal roasting conditions for making good quality coffee beans.

Keywords: acrylamide, antioxidant activity, coffee bean, roasting time

서 론

커피는 조화로운 맛과 향으로 전 세계적으로 오랫동안 음용되는 기호음료로 커피의 소비량이 꾸준히 증가하면서 일상생활에서 차지하는 비중이 점점 커지고 있다(Lee 등, 2019). 커피는 커피나무에서 수확한 생두(green bean)를 열을 가해 볶아서 원두(roasted bean)로 만드는 로스팅(roasting) 공정을 거쳐 음료로 이용한다(Grigg, 2002). 로스팅을 통해 불쾌한 향미의 생두가 진한 갈색의 원두로 전환되어 커피 품질에 영향을 미치는 중요한 공정으로 소비자의 취향에 따라 다양한 로스팅 방법이 이용되고 있다(Sacchetti 등, 2009). 일반적으로 로스팅 중에 생두의 팽창에 의해 부피가 증가하고 수분량이 감소한다(Kim 등, 2007; 2013). 아울러 마이야르 반응(Maillard reaction)과 스트레커(Strecker) 분해반응, 당과 지방의 분해와 이들 분해 산물들의 상호작용에 의해 다양한 물리・화학적 특성의 변화가 일어나고, 커피 특유의 풍미와 맛이 생성된다(Kim과 Park, 2006; Bortolomeazzi 등, 2012). 커피콩의 화학적 조성은 종, 재배 장소, 토양, 재배 방법, 기후 조건뿐만 아니라 원두의 추가 가공, 즉 세척 및 로스팅 공정 등에 따라 차이가 있으며, 커피 원두에서 약 1,500가지 성분이 확인된 바 있다(Kim과 Park, 2006; Olechno 등, 2020). 커피콩은 탄수화물이 30~40%, 13%의 오일, 4%는 유리 아미노산을 포함한 단백질과 필수지방, chlorogenic acid를 포함한 폴리페놀 화합물, 카페인, 비타민, 미네랄 및 향기 성분을 포함하고 있다(Bae 등, 2014; Tfouni 등, 2012; Suh 등, 2015). 커피에 함유된 폴리페놀 물질들은 항산화 효과가 우수하고 암, 당뇨병, 고혈압, 심혈관질환을 포함한 생활습관성 질병 예방에 효능을 나타내며(Shang 등, 2016; Matsuura 등, 2012), 실제 하루 3~4잔 정도의 커피를 꾸준히 섭취하면 건강 유지에 도움이 되는 것으로 보고되고 있다(Saito 등, 2015; Lee 등, 2019).

선행연구에 따르면 커피의 로스팅 과정 중에 커피 품질에 긍정적인 영향을 주는 항산화 물질들이 생성됨과 동시에 유해 물질로 알려진 아크릴아마이드가 만들어진다고 보고되고 있다(Becalski 등, 2004). 아크릴아마이드는 국제암연구소에 의해 인체에 발암 가능성이 있는 Group 2A carcinogen으로 분류되고 있으며(IARC, 1994), 동물실험에서 흰쥐를 장기간 아크릴아마이드에 노출했을 때, 자궁, 신장, 유선, 고환, 폐, 피부 등에 종양이 유발되는 것을 확인한 바 있다(Gökmen 등, 2008; Lineback 등, 2012). 아크릴아마이드는 발암 성분 이외에도 신경계 이상, 생식기능 이상, 유전적 변이 등을 초래하는 것으로 보고되고 있어 식품 섭취 시 주의가 필요하다.

커피를 비롯하여 베이커리류, 감자와 같이 탄수화물 함량이 높은 식품을 120°C 이상의 고온에서 장시간 굽거나 튀길 때 아크릴아마이드가 형성되는 것으로 알려져 있다(Tareke 등, 2002; Becalski 등, 2004; Bortolomeazzi 등, 2012; Miśkiewicz 등, 2018; Shin 등, 2019). 특히 비효소적 갈변반응 중 하나인 마이야르 반응을 통해 아스파라긴(aspartic acid)을 비롯한 유리 아미노산과 포도당, 과당 등의 환원당이 결합하여 아크릴아마이드를 생성한다(Bagdonaite 등, 2008; Claeys 등, 2005; Constantinou와 Koutsidis, 2016). 일부 연구에 따르면 신선하거나 끓인 식품에는 아크릴아마이드 함량이 감지할 수 없을 정도로 낮지만, 커피콩의 로스팅 과정 중에 아크릴아마이드가 생성된다고 보고하고 있다(Shin 등, 2019).

식품 중 아크릴아마이드의 생성량은 식품의 종류, 조리・가공 온도와 시간 등에 따라 수준차가 크기 때문에 특정 식품의 기준설정이나 섭취량 권고가 쉽지 않은 상황이다(Bortolomeazzi 등, 2012; Constantinou와 Koutsidis, 2016). 미국, 유럽 등의 국가와 WHO, CODEX 등 국제기구에서는 가공 중에 생성되는 아크릴아마이드 함량 측정, 노출량 평가, 독성 평가 및 저감화를 위한 다양한 연구를 진행하고 있다(Constantinou와 Koutsidis, 2016; Shin 등, 2019).

본 연구에서는 커피콩의 로스팅 시간을 달리하여 볶은 커피콩을 제조한 후, 이화학적 품질특성, 아크릴아마이드 형성 정도, 항산화 물질의 함량 및 항산화 활성을 측정하여 커피콩 로스팅과 커피 제조를 위한 기초자료로 활용하고자 하였다.

재료 및 방법

실험재료 및 시약

커피 생두는 아라비카종인 2021년산 에디오피아의 예가체프 코케 지방의 고도 1,850~2,100 m에서 재배된 G2 등급(Ethiopian Yirgacheffe Kochere G2)을 사용하였다. Gallic acid, catechin, Folin-Ciocalteu’s phenol reagent, 1, 1-dipheny1-2-picrylhydrazyl(DPPH), acrylamide 표준물질 및 내부표준물질인 13C3-labeled acrylamide는 Sigma-Aldrich Chemical Co.(St. Louis, MO, USA)에서 구입하였고, 2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt(ABTS)는 Flunk(Hekdelberg, Germany)에서 구입하였다. 그 외 시약들은 Sigma-Aldrich Chemical Co.와 Juncei Chemical Co., Ltd.(Tokyo, Japan)에서 구입하여 실험에 사용하였다. 아크릴아마이드 분석을 위한 용매는 HPLC grade(J.T. Baker, Phillipsburg, NJ, USA)를 사용하였고, 정제용 칼럼은 Oasis HLB SPE 카트리지(C18, 200 mg, 6 mL, Waters Corp., Milford, MA, USA)와 Bond Elut-AccuCAT SPE 카트리지(C8, 200 mg, 3 mL, Agilent Technologies, Memphis, TN, USA)를 사용하였다. 그 외 시약들은 분석용 등급을 사용하였다.

커피콩 로스팅

커피 생두 150 g을 예열시킨 열풍식 가정용 커피빈 로스팅기(Ottimo coffee roaster, J 150CR, Jina World, Bucheon, Korea)에 넣고 180°C에서 5, 10, 20, 30분 로스팅한 후 실온에서 냉각시켰다. 로스팅하지 않은 생두를 대조군으로 하였다. 로스팅한 커피는 커피 분쇄기(PGR 002M, Supreme Electric Co., Ltd., Guangzhou, China)를 사용하여 850 μm(표준체 No. 20) 이하의 크기가 되도록 분쇄하여 분말화시킨 후, Falcon tube에 넣어 -20°C에서 보관하면서 실험에 사용하였다.

일반성분 함량 측정

커피콩의 일반성분 함량은 AOAC(1995)의 방법에 따라 분석하였다. 수분은 105°C로 맞춘 드라이오븐(EYELA, Tokyo, Japan)에서 건조하여 정량하였고, 조회분은 600°C 회화로(Jeil, Seoul, Korea)에서 회화시켜 측정하였다. 조단백질은 자동 단백질 분석기(Kjeltec 2400 AUT, Foss Tecator, Eden Prairie, MN, USA)를 이용하여 semimicro-Kjeldhl법으로 분석하였고, 조지방은 Soxhlet 추출기(Soxtec System HT 1043, Foss Tecator)를 사용하여 diethyl ether로 추출하여 정량하였다.

커피콩의 가용성 고형물 및 pH 측정

커피콩의 가용성 고형물과 pH를 측정하기 위해 시료를 믹서(KHC-1000, Kitchenart, Seoul, Korea)에 넣고 균일한 크기로 분쇄하였다. 분쇄된 시료 3 g에 증류수 27 mL를 넣고 vortex mixer로 혼합한 후 9,000 rpm에서 10분간 원심분리(Mega17R, Hanil, Seoul, Korea)하여 상등액을 취하였다. 가용성 고형물은 상등액을 당도계(PR-201, Atago, Tokyo, Japan)로 3회 반복 측정 후 평균값으로 나타내었다. pH는 상등액을 pH meter(GMK-875, Mettler Toledo, Greifensee, Switzerland)로 3회 반복 측정 후 평균값으로 나타내었다.

커피콩과 커피콩 분말의 색도 측정

커피콩과 커피콩 분말의 색도는 색차계(Chrome Meter CR-300, Minolta, Tokyo, Japan)를 이용하여 명도(L*, lightness), 적색도(a*, redness), 황색도(b*, yellowness)를 측정하였다. 표준색 보정은 L*, a*, b*값이 각각 97.10, +0.24, +1.75인 백색 표준판을 사용하였다.

총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량

로스팅 조건을 달리하여 제조한 커피콩의 총 폴리페놀 및 플라보노이드 함량은 커피콩 추출물을 만들어 측정하였다. 볶은 커피콩을 분말로 제조한 시료 3 g에 95% 에탄올 12 mL를 넣고 vortex mixer로 균질하게 혼합한 후 9,000 rpm에서 10분간 원심분리하여 상등액을 취해 커피콩 추출액으로 하였다. 총 폴리페놀 측정은 커피콩 추출액 0.2 mL와 10% 2 N-Folin 시약 0.4 mL를 혼합하여 3분 동안 실온에서 반응시킨 후 10% Na2CO3 0.8 mL를 첨가하여 암소에서 1시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 후 microplate reader(Infinite M200 Pro, Tecan Group Ltd., San Jose, CA, USA)를 이용하여 750 nm에서 흡광도를 측정하였다. 커피콩에 함유된 총 폴리페놀 함량은 gallic acid(0~200 μg/mL) 표준곡선을 이용하여 시료 g당 gallic acid equivalent(GAE)로 나타내었다.

총 플라보노이드 측정은 커피콩 추출액 0.1 mL에 증류수 0.5 mL와 5% sodium nitrite 30 μL를 첨가하여 6분 동안 실온에서 반응시킨 후, 10% AlCl3・6H2O 60 μL를 첨가하여 6분 동안 실온에서 반응시켰다. 반응이 끝난 후 1 M NaOH 0.2 mL를 첨가하여 혼합한 후 microplate reader를 이용하여 510 nm에서 흡광도를 측정하였다. 커피콩에 함유된 총 플라보노이드 함량은 quercetin(0~400 μg/mL)의 표준곡선을 통해 시료 g당 quercetin equivalent(QE)로 나타내었다.

항산화 활성 측정

로스팅 시간을 달리하여 제조한 커피콩의 항산화 활성을 DPPH 라디칼 소거 활성(Cheung 등, 2003), ABTS 라디칼 소거 활성(Re 등, 1999) 및 환원력(Oyaizu, 1986)으로 측정하였다. 곱게 마쇄한 커피 분말 5 g에 95% 에탄올 20 mL를 넣어 vortex mixer로 균질하게 혼합한 후 9,000 rpm에서 10분간 원심분리하여 상등액을 취해 커피 추출액으로 하였다.

DPPH 라디칼 소거 활성은 커피 추출액 100 μL와 0.2 mM DPPH 용액 100 μL를 혼합하여 37°C에서 30분간 반응시킨 후 515 nm에서 microplate reader로 흡광도를 측정하였다. 아래 식에 따라 DPPH 라디칼 소거 활성을 계산하였다.

DPPH%=1 ×100

ABTS 라디칼 소거 활성은 실험 시작 24시간 전에 ABTS 양이온을 형성시키기 위해 7.0 mM ABTS와 2.45 mM potassium persulfate를 빛을 차단한 곳에서 반응시켰다. 실험 전에 735 nm에서 흡광도 값이 0.17±0.03이 되도록 에탄올로 희석하여 사용하였다. 흡광도를 맞춘 ABTS 용액 100 μL과 커피 추출액 100 μL를 혼합하여 37°C에서 30분간 반응시킨 후 732 nm에서 흡광도를 측정하였다. 아래 식에 따라 ABTS 라디칼 소거 활성을 계산하였다.

ABTS%=1 ×100

환원력은 커피 추출액 0.5 mL에 20 mM 인산 완충액(pH 6.6) 0.5 mL와 1%의 potassium ferricyanide 0.5 mL를 순서대로 첨가한 후 50°C로 맞춰진 항온수조에서 20분간 반응시켰다. 반응액에 10% trichloroacetic acid 용액을 1 mL 넣어 혼합한 후에 13,500×g에서 15분간 원심분리하여 상등액을 얻었다. 상등액 1 mL에 증류수 및 ferric chloride를 각각 1 mL씩 가하여 혼합한 후 720 nm에서 측정하여 얻은 흡광도 값을 환원력으로 나타냈다.

아크릴아마이드 함량 분석

커피콩을 로스팅하는 과정 중에 생성된 아크릴아마이드 함량은 FDA 분석법(FDA, 2003)을 약간 변형하여 측정하였다. 아크릴아마이드 표준품은 증류수에 1 mg/mL의 농도가 되도록 용해시킨 후 분석에 적합한 농도로 희석하여 사용하였다. 내부 표준원액은 탄소 13 동위원소(13C3)로 치환된 아크릴아마이드를 1 mg/mL의 농도가 되도록 메탄올에 용해시킨 후 0.1% formic acid를 첨가하여 500 mg/mL가 되도록 내부 표준용액을 조제하였다. 곱게 마쇄하여 균질화된 시료 1 g을 50 mL 폴리프로필렌 원심분리용 튜브에 넣고 내부 표준용액 1 mL와 증류수 9 mL를 가한 후 잘 혼합하여 진탕기(BF-60SIR-1, BioFree, Seoul, Korea)에서 300 rpm으로 25분 동안 추출하였다. 추출액은 원심분리기(Mega 17R, Hanil, Seoul, Korea)에서 9,000 rpm의 속도로 30분 동안 1차 원심분리를 하였다. 원심분리하여 얻은 물층 중 5 mL를 취하여 새로운 튜브에 옮기고 7,000 rpm으로 10분간 2차 원심분리하여 A 용액을 얻었다. A 용액을 PVDF syringe filter(13 mm, 0.45 μm, Advantec, Tokyo, Japan)를 사용하여 여과하였다. Oasis HLB SPE 카트리지는 메탄올 3.5 mL와 증류수 3.5 mL로 활성화한 후에 2차 원심분리하여 얻은 A액 1.5 mL를 넣어 통과시킨 후, 물 0.5 mL를 첨가하여 나온 용액은 흘려버리고 증류수 1.5 mL를 다시 넣어 용출시킨 용액을 새로운 튜브에 모았다(B 용액). Bond Elut-AccuCAT SPE 카트리지는 사용 전에 메탄올 2.5 mL와 증류수 2.5 mL로 활성화한 후에 B 용액 1.5 mL를 넣은 뒤, 처음 0.5 mL를 흘려버리고 이후 얻어진 용액 1 mL를 새로운 튜브에 모아 아크릴아마이드 분석에 사용하였다. 아크릴아마이드는 Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry(LC/MS)-2020(Shimadzu, Kyoto, Japan)과 Nexera XR(Shimadzu)로 분석하였다. 분석에 사용한 이동상은 0.1% acetic acid와 0.5% formic acid가 포함된 수용액으로 하였고, MS/MS 이온화 모드는 HESI+, 이온 모니터링은 acrylamide가 72 m/z> 55 m/z를, 13C3-acrylamides는 75 m/z> 58 m/z로 확인하였다.

통계분석

모든 측정은 3회 반복하여 평균(mean)±표준편차(standard deviation)로 나타내었고 분석 결과에 대한 통계 처리는 R-Studio(Version 3.5.1, Boston, MA, USA)를 이용하였으며, ANOVA를 이용하여 각 처리군 간의 유의성을 확인한 후 P<0.05 수준에서 Duncan’s multiple range test를 이용하여 분석하였다.

결과 및 고찰

커피콩의 일반성분 분석

로스팅 시간을 달리하여 제조한 커피콩의 일반성분 분석 결과는 Table 1과 같다. 커피콩의 수분은 대조군인 생두에서 9.05%로 가장 높았고, 로스팅 시간이 5~30분까지 증가함에 따라 수분은 3.93%에서 0.17%까지 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 이는 커피콩이 고온에서 장시간 노출됨에 따라 커피 원두에 있는 수분이 증발한 결과로 사료된다. 커피콩의 조회분 함량은 대조군과 5분 동안 로스팅한 시료에서 3.39% 및 3.56%로 가장 낮았고, 로스팅 시간이 10분에서 30분까지 증가함에 따라 회분 함량도 3.83%에서 4.14%로 증가하였다. 로스팅 강도가 증가함에 따라 조지방 함량은 증가하는 것으로 나타났다. 고온에 장시간 노출된 원두의 수분이 증발하고 커피콩 내부에 함유되어 있던 지방이 표면으로 노출되기 때문으로 사료된다. 커피콩의 조단백질 함량은 대조군에서 0.06%로 가장 높았으나 5~30분 동안 로스팅한 시료에서는 0.03~0.04%로 감소하는 경향을 보였다. 이는 커피 원두의 로스팅 시간이 길어짐에 따라 원두에 들어있는 단백질이 비환원당과 결합하여 갈색의 중합체인 멜라노이딘을 형성하는 데 관여하였기 때문에 단백질의 총량이 감소한 것으로 사료된다. 로스팅 시간에 따른 단백질 함량은 통계적으로 유의성 있는 차이가 없는 것으로 나타났다.

Table 1 . Changes in chemical compositions of coffee beans with different roasting times (%).

Roasting time (min)MoistureAshCrude proteinCrude fat
09.05±0.22a3.39±0.02c0.06±0.03a0.41±0.08d
53.93±0.22b3.56±0.07c0.04±0.00b0.55±0.13c
101.21±0.12c3.83±0.02b0.03±0.02b0.55±0.18c
201.02±0.19c3.95±0.08b0.03±0.02b0.70±0.03b
300.17±0.03d4.14±0.10a0.03±0.01b0.87±0.08a

Data were the mean±SD of triplicate experiment..

Means with the different superscripts (a-d) within the same column are significantly different at P<0.05..



커피콩의 일반성분 함량은 원산지, 품종, 재배지역 등에 따라 차이를 보이며, 일반적으로 생두는 7.8~13%의 수분을 함유하고 있고 로스팅, 분쇄 및 추출을 거치면서 성분 조성이 변한다(Tfouni 등, 2012; Suh 등, 2015). 커피콩에는 리놀산, 올레인산, 리놀렌산 등의 지방산이 풍부하며, 로스팅 과정을 통해 이들 지방 성분은 커피콩 표면으로 이동하여 표면에 기름기를 맺히게 하고 커피콩에서 수분이 증발하면서 조직이 다공질의 구조로 변화되어 산화를 촉진하며, 이러한 일련의 변화들은 커피의 풍미와 맛에 변화를 주는 요인으로 작용한다(Kang 등, 2015; Saud와 Salamatullah, 2021).

커피콩의 가용성 고형물 및 pH 측정

커피콩의 가용성 고형물과 pH 측정 결과는 Table 2에 제시하였다. 대조군의 가용성 고형물은 4.80 brix로 나타났고 로스팅 시간이 증가함에 따라 4.57~5.00까지 변화하는 것을 관찰하였다. 커피 추출물의 가용성 고형물은 커피의 품종, 로스팅 정도, 분쇄한 입자의 크기, 추출방식 및 추출온도 등에 따라 다르다(Seo 등, 2003; Toci와 Farah, 2008; Hwang 등, 2013). 특히 커피콩의 분쇄 입자 크기가 작을수록 추출하는 물과 접촉하는 커피 입자의 표면적이 넓어져 추출되는 가용성 고형물 함량이 높고, 생두에 비해 고온에서 로스팅한 커피콩에서 수용성 고형물이 더 많이 추출될 수 있다(Seo 등, 2003; Toci와 Farah, 2008; Lee 등, 2017).

Table 2 . Soluble solid contents and pH of coffee beans with different roasting times.

Roasting time (min)Soluble solid contents (Brix)pH
04.80±0.00b5.77±0.00b
55.00±0.00a5.30±0.00d
104.80±0.00b5.27±0.00e
205.00±0.00a5.51±0.00c
304.57±0.06c6.46±0.00a

Data were the mean±SD of triplicate experiment..

Means with the different superscripts (a-e) within the same column are significantly different at P<0.05..



pH의 경우 대조군에서 5.77로 가장 높았고, 로스팅을 5분에서 10분까지 진행하면서 pH도 5.30에서 5.27로 감소하는 경향을 보이다가 로스팅 시간이 20분 이상 길어짐에 따라 5.51에서 6.46으로 다소 증가하는 것을 확인하였다. 커피의 pH는 원두의 종류, 수확 후 저장기간, 로스팅 온도와 추출방법, 추출온도 및 추출시간 등에 따라 차이가 있으며, 커피의 신맛과 풍미를 결정짓는 매우 주요한 품질 요인이다(Pérez-Martínez 등, 2008). 액상 커피의 pH는 커피 분말의 추출온도에 따라 다르며, 일반적으로 pH 4.80~5.75를 나타내고 따뜻한 물로 추출한 커피의 pH가 더 낮은데 이는 온도가 높을수록 유기산의 용해도가 증가하기 때문이다(Rao 등, 2020). 커피에는 chlorogenic acid, caffeic acid, quinic acid 등과 같은 다양한 유기산들이 포함되어 있으며, 추출액 중에 수용성 물질이 많이 포함되어 있고 pH가 낮아져 신맛 강도가 높아지는 것으로 알려져 있다(Sivetz와 Desrosier, 1979).

본 연구에서도 커피콩의 로스팅 시간이 20분 이상으로 길어지고 로스팅 온도가 높아짐에 따라 커피에 함유된 chlorogenic acid의 분해가 촉진되며, 고분자의 유기산들이 저분자로 분해되고 acetic acid와 formic acid와 같은 휘발성 유기산이 휘발되어 pH가 증가한 것으로 사료된다(So 등, 2014). Kang 등(2015)의 연구에 따르면 생두에 비해 로스팅한 커피에서 acetic acid, propionic acid, oxalic acid, citric acid, fumaric acid 함량이 증가하고, 특히 생두에서는 휘발성의 acetic acid 함량이 높았으나 로스팅 후에는 fumaric acid 함량이 높음을 확인하였다.

커피콩의 색도 측정

로스팅한 커피콩의 외관은 Fig. 1에 나타내었고, 커피콩 및 커피 분말의 색도 측정 결과는 Table 3과 같다. 생두는 옅은 초록색을 나타냈지만, 로스팅한 커피콩은 옅은 갈색~흑갈색을 나타냈으며 로스팅 시간에 비례하여 색이 짙어지고 수분이 증발하면서 고온에서 팽화 작용으로 부피가 증가하는 것을 확인하였다. 색도 측정 결과 커피콩의 명도(L*)는 로스팅하지 않은 대조군에서 43.77로 가장 높았고, 로스팅 시간이 5~30분으로 증가함에 따라 명도 값은 30.70에서 11.52로 급속히 감소하였다. 적색도(a*)는 대조군에서 0.38이었고 로스팅 초기인 5분까지는 8.93까지 증가하였으나, 로스팅 시간이 길어질수록 2.36까지 감소하는 경향을 보였다. 이는 로스팅이 과도하게 진행되면서 커피콩 표면색이 갈색과 짙은 갈색을 거쳐 검은색에 가깝게 변했기 때문으로 사료된다. 황색도(b*)는 대조군에서 15.62였고 5분 동안 로스팅한 시료에서는 19.10으로 증가하였으나, 로스팅 시간이 10분 이상 계속되면서 황색도 값은 10.37에서 4.16까지 감소하였다. 커피 분말의 색도도 커피콩과 유사한 결과를 나타냈다. 커피 분말의 명도(L*)는 로스팅하지 않은 대조군에서 46.24로 가장 높았고 로스팅 시간이 5~30분으로 증가함에 따라 명도 값은 38.13에서 31.36으로 감소하였으나, 커피콩에 비해 급격한 감소는 나타나지 않았다. 적색도(a*)는 대조군에서 0.25였고 로스팅 초기인 5분까지는 4.35까지 증가하였으나, 로스팅 시간이 10분에서 30분까지 길어질수록 적색도 값은 2.12에서 0.30까지 감소하였다. 황색도(b*)는 대조군에서 7.67이었고 5분 동안 로스팅한 시료에서는 8.09로 약간 증가하였으나, 로스팅 시간이 10분 이상 지속되면서 1.90에서 -0.23까지 급격히 감소하였다.

Table 3 . Changes in Hunter’s color value of coffee beans and powder with different roasting times.

Roasting time (min)Coffee beanCoffee powder
LabLab
043.77±0.54a0.38±0.02e15.62±2.43b46.24±0.14a0.25±0.15d7.67±0.41a
530.70±0.27b8.93±0.50a19.10±1.00a38.13±0.05b4.35±0.25a8.09±0.27a
1024.26±0.48c7.16±0.49b10.37±0.98c32.28±0.11c2.12±0.10b1.90±0.21b
2020.78±0.37d5.73±0.31c8.71±0.67c31.60±0.13d1.19±0.08c0.70±0.15c
3011.52±0.47e2.36±0.09d4.16±0.04d31.36±0.13e0.30±0.01d−0.23±0.02d

Data were the mean±SD of triplicate experiment..

Means with the different superscripts (a-e) within the same column are significantly different at P<0.05..



Fig 1. Coffee beans prepared with different roasting time.

커피의 색도는 기호성에 영향을 주는 중요한 요인 중 하나로, 생두를 로스팅하는 과정에서 커피에 함유된 아미노산의 아미노기와 환원당의 카보닐기가 반응하는 마이야르 반응과 캐러멜화 반응에 의해 멜라노이딘 색소가 형성된다(Constantinou와 Koutsidis, 2016). 선행연구에서도 커피콩의 로스팅 시간이 증가함에 따라 명도와 황색도가 감소하고, 210°C에서 210초 정도로 약하게 로스팅한 경우에는 적색도가 증가하다가 220~230°C에서 230~250초까지 로스팅하면 적색도 값이 감소하는 것으로 보고하여 본 연구와 유사한 결과를 나타냈다(Kim 등, 2013; Kang 등, 2015).

커피콩의 총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량 분석

로스팅 시간을 달리하여 제조한 커피콩의 총 폴리페놀 및 총 플라보노이드 함량을 측정한 결과는 Table 4와 같다. 대조군의 총 폴리페놀 함량은 172.68 μg GAE/g으로 나타났고, 로스팅 시간이 5분에서 10분까지 길어짐에 따라 총 폴리페놀도 204.71 μg에서 321.66 μg으로 증가했는데, 이는 대조군에 비해 각각 1.19배 및 1.86배 증가한 수치였다. 그러나 로스팅 시간이 20분 및 30분으로 증가하면 총 폴리페놀 함량은 각각 165.16 μg 및 68.59 μg으로 나타나 대조군에 비해 0.96배 및 0.40배 더 감소하였다. 총 플라보노이드 함량도 총 폴리페놀 함량과 유사한 경향을 나타냈다. 즉, 대조군의 총 플라보노이드 함량은 103.92 μg QE/g이었고, 로스팅 시간이 5분에서 10분까지 길어짐에 따라 총 플라보노이드 함량도 127.45 μg에서 160.17 μg으로 증가했는데, 이는 대조군에 비해 각각 1.23배 및 1.54배 증가한 수치였다. 그러나 로스팅 시간이 20분 및 30분으로 증가하면서 총 플라보노이드 함량은 각각 115.57 μg 및 61.43 μg으로 감소하였다.

Table 4 . Total polyphenol and flavonoid contents of coffee bean with different roasting times.

Roasting time (min)Total polyphenols (μg GAE1)/g)Total flavonoids (μg QE2)/g)
0172.68±2.50c103.92±1.46d
5204.71±8.16b127.45±0.99b
10321.66±1.70a160.17±1.34a
20165.16±4.23d115.57±2.04c
3068.59±0.77e61.43±0.13e

Values with the different superscripts (a-e) within the same column are significantly different at P<0.05..

1)GAE=gallic acid equivalent. 2)QE=quercetin equivalent..



식물체에 함유된 폴리페놀 함량은 식물의 품종, 성숙단계, 수확시기, 일조량과 강수량 등을 포함한 기후 조건, 토양 구성 물질 등에 의해 영향을 받는다(Tsao, 2010; Olechno 등, 2020). 아울러 식품의 저장온도 및 기간이나 열처리 가공 등에 의해서도 달라진다(Tsao, 2010). 커피콩도 고온의 로스팅 과정을 거치면서 원물에 함유된 폴리페놀 함량에 변화가 있다. Farah와 Donangelo(2006)는 로스팅 중에 총 페놀 화합물의 농도는 다소 증가하다가 최종적으로는 감소하는 경향이 나타난다고 보고하였고, Kim과 Han(2009)은 로스팅 시간이 진행됨에 따라 총 페놀 화합물 함량이 다소 감소한다고 보고하였다. 또한, Nam과 Kang(2015)의 연구에 따르면 총 페놀 함량은 생두에 비해 200°C에서 로스팅한 커피에서 7.2% 정도의 손실이 있었고, 250°C에서는 커피콩의 품종별로 26.6~42.1%까지 총 폴리페놀 함량이 감소한다고 보고하여 본 연구와 유사한 결과를 나타냈다. 커피의 페놀 화합물 중 가장 많은 부분을 차지하는 chlorogenic acid는 로스팅 공정 중에 가수분해, 분해작용을 거쳐 quinolactone이나 melanoidin으로 전환되므로(Kim과 Han, 2009) 로스팅 강도가 강해질수록 chlorogenic acid 함량은 감소한다(Suh 등, 2015). 본 연구 결과에서도 로스팅 초기인 5~10분 사이에서는 생두에 비해 총 폴리페놀 화합물의 함량이 증가하였으나, 로스팅이 20분 이상 계속됨에 따라 총 폴리페놀 함량이 감소하는 것을 확인하였다.

커피콩의 DPPH와 ABTS 라디칼 소거 활성 분석

로스팅 시간을 달리하여 제조한 커피콩의 DPPH와 ABTS 라디칼 소거 활성 및 환원력을 측정한 결과는 Table 5와 같다. 로스팅하지 않은 대조군의 DPPH 라디칼 소거 활성은 39.07%로 나타났고 5분 동안 로스팅한 경우는 41.09%, 10분간 로스팅한 시료에서는 61.05%로 DPPH 라디칼 소거 활성이 높아졌으며, 이는 대조군에 비해 DPPH 라디칼 소거 활성이 각각 1.05배 및 1.56배 증가한 수치였다. 그러나 로스팅 시간이 20분 이상 증가함에 따라 DPPH 라디칼 소거 활성은 32.85%에서 11.42%까지 급속히 감소하였다. ABTS 라디칼 소거 활성은 대조군에서 42.40%로 가장 낮게 나타났고 로스팅이 5분에서 10분까지 계속됨에 따라 57.17%에서 72.95%로 증가했으며, 이는 대조군에 비해 ABTS 라디칼 소거 활성이 각각 1.35배 및 1.72배 증가한 수치였다. 로스팅이 20분 이상 계속되더라도 ABTS 라디칼 소거 활성은 10분 동안 로스팅한 시료에 비해 약간 감소하였으나, DPPH 라디칼 소거 활성처럼 급속히 감소하는 경향은 나타나지 않았고 70.14~70.53%의 ABTS 라디칼 소거 활성을 나타냈다. 환원력은 700 nm에서의 흡광도 값으로 나타냈는데, 로스팅하지 않은 대조군에서는 흡광도가 0.8129였고 로스팅이 5~10분 동안 진행되면서 0.9295까지 증가하였다. 그러나 로스팅이 20분 이상 진행됨에 따라 환원력은 0.8575에서 0.8361로 다소 감소하였고, 이는 DPPH 라디칼 소거 활성과 유사한 경향을 보이는 것을 확인하였다.

Table 5 . Antioxidant activities of coffee bean with different roasting times.

Roasting time (min)DPPH radical scavenging (%)ABTS radical scavenging (%)Reducing power
039.07±1.35b42.40±0.82c0.8129±0.01c
541.09±2.41b57.17±0.72b0.8233±0.01c
1061.05±0.72a72.95±0.38a0.9295±0.02a
2032.85±1.31b70.14±1.14ab0.8575±0.02b
3011.42±13.14c70.53±1.16ab0.8361±0.02bc

Data were the mean±SD of triplicate experiment..

Means with the different superscripts (a-c) within the same column are significantly different at P<0.05..



로스팅에 따른 항산화 활성에 대한 결과는 분분하다. 그 이유는 커피콩의 종류, 품종, 로스팅 시간과 온도에 대한 기준이나 기호도가 다르기 때문으로 사료된다. Sacchetti 등(2009)은 중로스팅 시에 항산화력이 증가하다가 강로스팅 시에는 감소한다는 보고도 있으며, 로스팅 정도에 따라 항산화력이 증가하기도 하고 감소하기도 하는 상반된 결과가 있다. Rhi와 Shin(1993)은 원두커피에서 얻은 갈색 추출물의 항산화력은 로스팅 시간이 16분 경과 시까지는 증가하였고, 16분 이후에는 항산화력이 오히려 감소했다고 보고했다. 이는 로스팅 온도 210°C에서 16분 로스팅할 때 생성된 항산화 물질이 그 이상 가열하면 분해되기 때문이다. Kim과 Han(2009)의 연구에서도 커피의 물 추출물에서 항산화 활성은 로스팅 시간에 따라 다름을 보고하였다. 즉, 로스팅 시간이 0~10분까지는 커피 추출물에서 항산화 활성이 증가하였으나, 20분 동안 로스팅한 경우는 항산화 활성이 감소하였고 25분에서는 가장 낮은 항산화 활성을 보였다. 선행연구에서도 로스팅 시간에 따라 갈색도와 항산화 활성이 비례관계를 보이다가 14분을 기전으로 오히려 항산화성이 다소 감소한다고 보고하였다(Kim과 Park, 2006). 이는 커피 속에 함유된 대표적인 폴리페놀 물질인 chlorogenic acid가 항산화 효능을 보이는데, 로스팅이 진행됨에 따라 열분해가 일어나 항산화 활성이 감소하는 것으로 사료된다(Kim과 Han, 2009). 이상의 결과를 통해 일반적으로 열처리 과정을 통해 항산화 활성이 증가하지만, 지나치게 과도한 열처리는 페놀 화합물의 분해로 이어져 항산화 활성이 감소하므로 커피의 항산화 활성을 최고로 유지하기 위해서는 적절한 로스팅 시간 및 온도 설정이 필요한 것으로 사료된다.

커피콩의 아크릴아마이드 함량 분석

로스팅 시간을 달리하여 제조한 커피콩의 아크릴아마이드 분석 결과는 Fig. 2와 같다. 생원두에는 아크릴아마이드가 함유되어 있지 않았지만, 로스팅이 진행됨에 따라 아크릴아마이드가 생성되는 것을 관찰하였다. 5분 동안 로스팅한 커피콩의 아크릴아마이드 함량은 시료 1 g당 8.93 ng으로 비교적 낮게 검출되었으나, 로스팅 시간이 10분으로 길어짐에 따라 아크릴아마이드는 53.13 ng으로 증가하였다. 그러나 커피콩의 로스팅 시간이 20분 이상 지속되면서 아크릴아마이드는 8.33 ng으로 감소하였고 30분 동안 로스팅한 경우는 4.97 ng까지 감소하였다. 총 폴리페놀과 총 플라보노이드 함량 및 항산화 활성, 아크릴아마이드 생성 등을 종합적으로 고려하여 커피 원두의 로스팅 조건을 설정하는 것이 필요하며, 180°C에서 10분 이상의 과도한 로스팅은 바람직하지 않은 것으로 사료된다. 선행연구에서도 아크릴아마이드는 아스파라긴과 환원성의 당류를 100°C 이상의 온도로 가열하면 생성되기 시작하여 160~180°C에서 가장 많은 양이 생성되며, 200°C 이상의 고온에서는 그 양이 감소하는 것으로 알려져 있다(De Vleeschouwer 등, 2010).

Fig 2. Acrylamide concentration (ng/g) of coffee beans prepared with different roasting time. Means with the different letters (a-c) above bars are significantly different at P<0.05. nd: not detected.

커피콩의 품종에 따라 아크릴아마이드 생성량이 달라진다. 선행연구에 따르면 로부스타 종에서 가장 많은 양의 아크릴아마이드가 생성되었고 아라비카 커피콩에서는 가장 적은 양의 아크릴아마이드가 생성되었으며, 같은 아라비카 원두에서도 품질에 따라 아크릴아마이드 생성량에 차이를 보였는데, 고품질의 원두가 저품질의 원두에 비해 아크릴아마이드 생성이 감소하였다(Bagdonaite와 Murkovic, 2004).

Shin 등(2019)의 연구에서도 원산지가 다른 4종류의 아라비카와 로부스타 품종의 커피콩을 170°C에서 로스팅했을 때 아크릴아마이드 함량이 최대치에 이르렀고, 180~200°C까지 온도를 높여 로스팅하게 되면 아크릴아마이드 함량이 오히려 감소하는 것을 확인하였다. 이를 통해 커피콩을 장시간에 걸쳐 로스팅하지 않고 고온에서 짧은 시간 로스팅하는 것이 아크릴아마이드 생성을 최소화할 수 있을 것으로 사료된다. 커피를 고온에서 볶는 과정에서 아크릴아마이드가 다량 생성될 수 있으므로 열처리 중 생성되는 아크릴아마이드를 감소시키기 위해 볶는 시간 및 온도를 조절하여 아크릴아마이드 생성을 감소시키기 위한 연구가 일부 진행되고 있다(Constantinou와 Koutsidis, 2016; Suh 등, 2015). 일반적으로 커피를 볶는 초기에는 아크릴아마이드 생성이 급속도로 증가하다가 볶는 과정을 거치면서 아크릴아마이드가 분해되어 다른 물질로 전환됨에 따라 아크릴아마이드 함량 자체는 감소하는 것으로 보고되고 있다(Suh 등, 2014; Shin 등, 2019). 아크릴아마이드는 고온에서 장시간 가열할 때 생성량이 증가하고, 지나친 열처리를 통해 분해되어 다양한 분해 산물을 생성하는 것으로 알려져 있다. 아크릴아마이드의 독성에 관해서는 많은 연구 보고가 진행되어 그 유해성에 대해 알고 있지만, 분해 산물에 관한 연구가 미비한 실정이고 앞으로 다양한 연구를 통한 물질 규명, 유해성 및 독성에 관한 연구가 필요하다. 따라서 커피콩 로스팅 시 생성되는 아크릴아마이드와 분해 물질들의 생성을 최소화하기 위해 적절한 로스팅 조건을 설정하는 것이 필요할 것으로 사료된다.

요 약

로스팅 시간과 강도를 달리하여 커피콩을 제조한 후, 커피콩의 품질특성, 항산화 활성 및 아크릴아마이드 함량을 측정하였다. 커피콩의 수분 함량은 대조군인 생두에서 9.05%로 가장 높았고, 로스팅 시간이 5~30분까지 증가함에 따라 수분 함량은 3.93%에서 0.17%까지 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 로스팅 강도가 증가함에 따라 조지방 함량은 증가하는 것으로 나타났고, 조단백질 함량은 대조군에서 0.06%로 가장 높았으나 로스팅 시간에 따른 통계적으로 유의성 있는 차이는 나타나지 않았다. 가용성 고형물은 로스팅 시간이 증가함에 따라 4.57~5.00까지 변화하였으며, pH는 대조군에서 5.77로 가장 높았고 로스팅 5~10분까지는 5.30에서 5.27로 감소하다가 20분 이상 로스팅을 진행함에 따라 pH가 다소 증가하였다. 커피콩과 커피 분말의 명도는 대조군에서 가장 높았고 로스팅 시간이 5~30분으로 증가함에 따라 급속히 감소하였다. 적색도와 황색도는 로스팅 초기인 5분까지는 증가하다가 로스팅 시간이 길어질수록 감소하는 경향을 보였다. 총 폴리페놀과 총 플라보노이드 함량은 대조군에 비해 로스팅 시간이 5분에서 10분까지 길어짐에 따라 증가하였으나, 로스팅 시간이 20분 및 30분으로 증가하면 감소하였다. DPPH 라디칼 소거 활성과 환원력도 로스팅 초기에는 증가하다가 로스팅 시간이 20분 이상 길어짐에 따라 감소하였다. 생원두에는 아크릴아마이드가 함유되어 있지 않았지만, 5~10분 동안 로스팅한 커피콩의 아크릴아마이드 함량은 시료 1 g당 각각 8.93~53.13 ng으로 증가하였다. 그러나 커피콩의 로스팅 시간이 20분 이상 지속되면 아크릴아마이드는 8.33 ng으로 감소하였고 30분 동안 로스팅한 경우는 4.97 ng까지 감소하였다. 이상의 결과를 통해 일반적으로 열처리 과정을 통해 항산화 활성이 증가하지만, 180°C에서 10분 이상 과도한 로스팅은 페놀 화합물의 분해로 이어져 항산화 활성의 감소 및 아크릴아마이드 생성 및 분해로 이어지므로 바람직하지 않으며, 향후 커피콩에 대한 최적의 로스팅 시간 및 온도 설정이 필요한 것으로 사료된다.

감사의 글

본 연구는 한국연구재단 기본연구지원사업(과제번호 2021R1F1A1060605)의 지원에 의해 이루어진 것이며, 그 지원에 감사드립니다.

Fig 1.

Fig 1.Coffee beans prepared with different roasting time.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 697-705https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.7.697

Fig 2.

Fig 2.Acrylamide concentration (ng/g) of coffee beans prepared with different roasting time. Means with the different letters (a-c) above bars are significantly different at P<0.05. nd: not detected.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 697-705https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.7.697

Table 1 . Changes in chemical compositions of coffee beans with different roasting times (%).

Roasting time (min)MoistureAshCrude proteinCrude fat
09.05±0.22a3.39±0.02c0.06±0.03a0.41±0.08d
53.93±0.22b3.56±0.07c0.04±0.00b0.55±0.13c
101.21±0.12c3.83±0.02b0.03±0.02b0.55±0.18c
201.02±0.19c3.95±0.08b0.03±0.02b0.70±0.03b
300.17±0.03d4.14±0.10a0.03±0.01b0.87±0.08a

Data were the mean±SD of triplicate experiment..

Means with the different superscripts (a-d) within the same column are significantly different at P<0.05..


Table 2 . Soluble solid contents and pH of coffee beans with different roasting times.

Roasting time (min)Soluble solid contents (Brix)pH
04.80±0.00b5.77±0.00b
55.00±0.00a5.30±0.00d
104.80±0.00b5.27±0.00e
205.00±0.00a5.51±0.00c
304.57±0.06c6.46±0.00a

Data were the mean±SD of triplicate experiment..

Means with the different superscripts (a-e) within the same column are significantly different at P<0.05..


Table 3 . Changes in Hunter’s color value of coffee beans and powder with different roasting times.

Roasting time (min)Coffee beanCoffee powder
LabLab
043.77±0.54a0.38±0.02e15.62±2.43b46.24±0.14a0.25±0.15d7.67±0.41a
530.70±0.27b8.93±0.50a19.10±1.00a38.13±0.05b4.35±0.25a8.09±0.27a
1024.26±0.48c7.16±0.49b10.37±0.98c32.28±0.11c2.12±0.10b1.90±0.21b
2020.78±0.37d5.73±0.31c8.71±0.67c31.60±0.13d1.19±0.08c0.70±0.15c
3011.52±0.47e2.36±0.09d4.16±0.04d31.36±0.13e0.30±0.01d−0.23±0.02d

Data were the mean±SD of triplicate experiment..

Means with the different superscripts (a-e) within the same column are significantly different at P<0.05..


Table 4 . Total polyphenol and flavonoid contents of coffee bean with different roasting times.

Roasting time (min)Total polyphenols (μg GAE1)/g)Total flavonoids (μg QE2)/g)
0172.68±2.50c103.92±1.46d
5204.71±8.16b127.45±0.99b
10321.66±1.70a160.17±1.34a
20165.16±4.23d115.57±2.04c
3068.59±0.77e61.43±0.13e

Values with the different superscripts (a-e) within the same column are significantly different at P<0.05..

1)GAE=gallic acid equivalent. 2)QE=quercetin equivalent..


Table 5 . Antioxidant activities of coffee bean with different roasting times.

Roasting time (min)DPPH radical scavenging (%)ABTS radical scavenging (%)Reducing power
039.07±1.35b42.40±0.82c0.8129±0.01c
541.09±2.41b57.17±0.72b0.8233±0.01c
1061.05±0.72a72.95±0.38a0.9295±0.02a
2032.85±1.31b70.14±1.14ab0.8575±0.02b
3011.42±13.14c70.53±1.16ab0.8361±0.02bc

Data were the mean±SD of triplicate experiment..

Means with the different superscripts (a-c) within the same column are significantly different at P<0.05..


References

  1. AOAC. Official methods of analysis of AOAC International. 16th ed. Association of Official Analytical Chemists, Washington, DC, USA. 1995. p 1-26.
  2. Bae JH, Park JH, Im SS, Song DK. Coffee and health. Integr Med Res. 2014. 3:189-191.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  3. Bagdonaite K, Derler K, Murkovic M. Determination of acrylamide during roasting of coffee. J Agric Food Chem. 2008. 56:6081-6086.
    Pubmed CrossRef
  4. Bagdonaite K, Murkovic M. Factors affecting the formation of acrylamide in coffee. Czech J Food Sci. 2004. 22(S):22-24.
    CrossRef
  5. Becalski A, Lau BPY, Lewis D, Seaman SW, Hayward S, Sahagian M, et al. Acrylamide in French fries:  Influence of free amino acids and sugars. J Agric Food Chem. 2004. 52:3801-3806.
    Pubmed CrossRef
  6. Bortolomeazzi R, Munari M, Anese M, Verardo G. Rapid mixed mode solid phase extraction method for the determination of acrylamide in roasted coffee by HPLC-MS/MS. Food Chem. 2012. 135:2687-2693.
    Pubmed CrossRef
  7. Cheung LM, Cheung PCK, Ooi VEC. Antioxidant activity and total phenolics of edible mushroom extracts. Food Chem. 2003. 81:249-255.
    CrossRef
  8. Claeys WL, De Vleeschouwer K, Hendrickx ME. Quantifying the formation of carcinogens during food processing: acrylamide. Trends Food Sci Technol. 2005. 16:181-193.
    CrossRef
  9. Constantinou C, Koutsidis G. Investigations on the effect of antioxidant type and concentration and model system matrix on acrylamide formation in model Maillard reaction systems. Food Chem. 2016. 197:769-775.
    Pubmed CrossRef
  10. De Vleeschouwer K, Van der Plancken I, Van Loey A, Hendrickx ME. The effect of high pressure-high temperature processing conditions on acrylamide formation and other Maillard reaction compounds. J Agric Food Chem. 2010. 58:11740-11748.
    Pubmed CrossRef
  11. Farah A, Donangelo CM. Phenolic compounds in coffee. Braz J Plant Physiol. 2006. 18:23-36.
    CrossRef
  12. FDA. Detection and Quantitation of Acrylamide in Foods. 2003 [cited 2019 Jan 21]. Available from: https://www.fda.gov/food/chemicals/detection-and-quantitation-acrylamide-foods
  13. Gökmen V, Açar ÖÇ, Serpen A, Morales FJ. Effect of leavening agents and sugars on the formation of hydroxymethylfurfural in cookies during baking. Eur Food Res Technol. 2008. 226:1031-1037.
    CrossRef
  14. Grigg D. The worlds of tea and coffee: Patterns of consumption. GeoJournal. 2002. 57:283-294.
    CrossRef
  15. Hwang SH, Kim KS, Kang HJ, Kim MJ. Phenolic compound contents and antioxidative effects on Dutch coffee by extraction time. Korean Public Health Research. 2013. 39(2):21-29.
  16. International Agency for Research on Cancer. IARC Monographs on the evaluation of carcinogenic risks to humans-Some industrial chemicals. IARC Publications, Lyon, France. 1994. Vol 60, p 560.
  17. Kang RK, Min KS, Kang MH. Physicochemical properties of Supremo coffee according to grinding and brewing conditions. J Korean Soc Food Sci Nutr. 2015. 44:89-96.
    CrossRef
  18. Kim HK, Hwang SY, Yoon SB, Chun DS, Kong SK, Kang KO. A study of the characteristics of different coffee beans by roasting and extracting condition. Korean J Food Nutr. 2007. 20:14-19.
  19. Kim JY, Han YS. Influence of roasting time on antibacterial and antioxidative effects of coffee extract. Korean J Food Cook Sci. 2009. 25:496-505.
  20. Kim KJ, Park SK. Changes in major chemical constituents of green coffee beans during the roasting. Korean J Food Sci Technol. 2006. 38:153-158.
  21. Kim SE, Kim JH, Lee SW, Lee MJ. A study of roasting conditions on benzo[a]pyrene content in coffee beans. J Korean Soc Food Sci Nutr. 2013. 42:134-138.
    CrossRef
  22. Lee JS, Park HS, Han S, Tana G, Chang MJ. Study on relationship between caffeine intake level and metabolic syndrome and related diseases in Korean adults: 2013~2016 Korea National Health and Nutrition Examination Survey. J Nutr Health. 2019. 52:227-241.
    CrossRef
  23. Lee KS, Kim JM, Yoon KY. Physicochemical properties, bioactive composition, and antioxidant activity of different coffee beans dependent on the cultivation region. Korean J Food Sci Technol. 2017. 49:474-479.
  24. Lineback DR, Coughlin JR, Stadler RH. Acrylamide in foods: A review of the science and future considerations. Annu Rev Food Sci Technol. 2012. 3:15-35.
    Pubmed CrossRef
  25. Matsuura H, Mure K, Nishio N, Kitano N, Nagai N, Takeshita T. Relationship between coffee consumption and prevalence of metabolic syndrome among Japanese civil servants. J Epidemiol. 2012. 22:160-166.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  26. Miśkiewicz K, Nebesny E, Rosicka-Kaczmarek J, Żyżelewicz D, Budryn G. The effects of baking conditions on acrylamide content in shortcrust cookies with added freeze-dried aqueous rosemary extract. J Food Sci Technol. 2018. 55:4184-4196.
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  27. Nam S, Kang S. Changes of biochemical components and physiological activities of coffee beans according to different roasting conditions. Korean J Food Preserv. 2015. 22:182-189.
    CrossRef
  28. Olechno E, Puścion-Jakubik A, Markiewicz-Żukowska R, Socha K. Impact of brewing methods on total phenolic content (TPC) in various types of coffee. Molecules. 2020. 25:5274. https://doi.org/10.3390/molecules25225274
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  29. Oyaizu M. Studies on products of browning reaction-Antioxidative activities of products of browning reaction prepared from glucosamine. Jpn J Nutr Diet. 1986. 44:307-315.
    CrossRef
  30. Pérez-Martínez M, Sopelana P, de Peña MP, Cid C. Effects of refrigeration and oxygen on the coffee brew composition. Eur Food Res Technol. 2008. 227:1633-1640.
    CrossRef
  31. Rao NZ, Fuller M, Grim MD. Physiochemical characteristics of hot and cold brew coffee chemistry: The effects of roast level and brewing temperature on compound extraction. Foods. 2020. 9:902. https://doi.org/10.3390/foods9070902
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  32. Re R, Pellegrini N, Proteggente A, Pannala A, Yang M, Rice-Evans C. Antioxidant activity applying an improved ABTS radical cation decolorization assay. Free Radic Biol Med. 1999. 26:1231-1237.
    CrossRef
  33. Rhi JW, Shin HS. Antioxidative effect of brown materials extracted from roasted coffee beans. Korean J Food Sci Technol. 1993. 25:220-224.
  34. Sacchetti G, Mattia CD, Pittia P, Mastrocola D. Effect of roasting degree, equivalent thermal effect and coffee type on the radical scavenging activity of coffee brews and their phenolic fraction. J Food Eng. 2009. 90:74-80.
    CrossRef
  35. Saito E, Inoue M, Sawada N, Shimazu T, Yamaji T, Iwasaki M, et al. Association of coffee intake with total and cause-specific mortality in a Japanese population: the Japan public health center-based prospective study. Am J Clin Nutr. 2015. 101:1029-1037.
    Pubmed CrossRef
  36. Saud S, Salamatullah AM. Relationship between the chemical composition and the biological functions of coffee. Molecules. 2021. 26:7634. https://doi.org/10.3390/molecules26247634
    Pubmed KoreaMed CrossRef
  37. Seo HS, Kim SH, Hwang IK. Comparison on physicochemical properties and antioxidant activities of commonly consumed coffees at coffee shops in Seoul downtown. Korean J Food Cook Sci. 2003. 19:624-630.
  38. Shang F, Li X, Jiang X. Coffee consumption and risk of the metabolic syndrome: A meta-analysis. Diabetes Metab. 2016. 42:80-87.
    Pubmed CrossRef
  39. Shin JM, Kim OH, Lee ES, Kim MS, Ryu HJ, Kim HJ, et al. Acrylamide monitoring in coffee using LC-MS/MS. Report of SIHE. 2019. 55:11-19.
  40. Sivetz M, Desrosier NW. Coffee technology. Avi Publishing Co., Inc., Westport, CT, USA. 1979. p 527-575.
  41. So YJ, Lee MW, Yoo KM, Kang HJ, Wang IK. Physicochemical characteristics and antioxidant activity of Dutch coffee depending on different extraction conditions and storage. Korean J Food Sci Technol. 2014. 46:671-676.
    CrossRef
  42. Suh YS, Lee SH, Shang Y, Lee WJ. Effects of roasting conditions on the physicochemical properties of Coffea arabica beans. Korean J Food Preserv. 2015. 22:690-698.
    CrossRef
  43. Suh YS, Lee SH, Shang Y, Yoon JR, Lee WJ. Changes in antioxidant activities and flavor patterns of Coffea arabica beans during roasting. Korean J Food Preserv. 2014. 21:224-230.
    CrossRef
  44. Tareke E, Rydberg P, Karlsson P, Eriksson S, Törnqvist M. Analysis of acrylamide, a carcinogen formed in heated foodstuffs. J Agric Food Chem. 2002. 50:4998-5006.
    Pubmed CrossRef
  45. Tfouni SAV, Serrate CS, Carreiro LB, Camargo MCR, Teles CRA, Cipolli KMVAB, et al. Effect of roasting on chlorogenic acids, caffeine and polycyclic aromatic hydrocarbons levels in two Coffea cultivars: Coffea arabica cv. Catuaí Amarelo IAC-62 and Coffea canephora cv. Apoatã IAC-2258. Int J Food Sci Technol. 2012. 47:406-415.
    CrossRef
  46. Toci AT, Farah A. Volatile compounds as potential defective coffee beans’ markers. Food Chem. 2008. 108:1133-1141.
    Pubmed CrossRef
  47. Tsao R. Chemistry and biochemistry of dietary polyphenols. Nutrients. 2010. 2:1231-1246.
    Pubmed KoreaMed CrossRef