커피 품질관리 분석 항목 중 TDS 굴절률에 관하여. 커피 원두 QC

커피 품질관리를 위해 가장 많이 알려진건 굴절률 TDS다. 검색해보니 VST 핸드 굴절계가 가장 좋은 기기로 알려진듯하다.

하지만 제약회사 실험실에서 사용하는 브랜드는 다르다. 유명 기기들은 2~3가지 정도 되는듯 해. 내가 구매한다면 그래도 실험실에서 사용하는 굴절계를 구매해야지. 그래도 실험실인데! 굴절률은 매일 사용하는 기기가 아니다보니.. 고장이 잘안나는 기기? 이다. 사용법도 엄청 간단하다. 물 넣고 찍으면 끝!

 

커피팜 품질관리 실험실 셋팅을 위해 하나 둘 분석기기를 구매하고 있다. 현미경... pH 미터기.. 구매 완료! 그다음... 굴절계다. 신품으로 구매하려면 몇 천만원이 들겠지만. 내가 10년 넘게 실험실 품질관리 근무를 하다보니 어떤 브랜드가 좋고 나쁜지가 구분이 간다. 그리고 너무 좋은 기기도 필요없기 때문에.. 중고로 500만원 정도 자금 계획을 세웠다. 진짜 말도 안되는 예산이다ㅜㅜ 하지만 나는 취미로 창업을 준비하는 사람이니까? 좋은 매물을 취미처럼 알아보기!

 

커피 맛은 주관적이지만 과학적 기준을 어느정도 잡고있는듯 하다. 근데. .내가 알기론 굴절률은 단위가 없는데.. 커피 전용은 좀 다르나? 이건 좀 공부좀 해봐야겠다... 

 

우리 실험실에도 굴절률 측정기가 있어 물로만 측정해 보았다. 물의 굴절률(n = 1.333)이 잘 나온다. 이렇게 커피도 품질관리 할수 있을것 같다.

 

 

1. 추출된 커피 TDS 농도와  물(Water) 의 TDS 의 관계성에 관해

 

예를 들어 커피 농도 1.45% TDS 는 14,500 ppm(parts per million) 의 용질을 의미합니다. (일반적인 브루잉 커피 농도 평균을 13,000 ppm 이라고 볼 때 에스프레소는 50,000 ppm - 150,000 ppm 정도의 높은 범위의 농도를 가집니다.)

 

커피 브루잉을 위한 SCAA 와 SCAE의 가이드는 대략적으로 100~200 ppm 정도이며, 이는 TDS 농도로 따지면 0.01-0.02% 가 됩니다. 용해된 고형분와 함께 이는 실제적으로 한잔의 커피를 구성하는 성분이며 추출된 커피에 반드시 포함되어야 할 요소이기도 합니다.

 

만약 한잔으로 추출된 커피가 1.45% 의 TDS 농도를 가지고 있다면, 일반적으로 컵에는 1.43-1.44% 의 커피 성분과 함께 0.01-0.02% 농도의 추출수 미네랄이 포함이 되어 있습니다. 전기 전도성 기반의 구형 TDS 미터들은 실제로 안정적으로 커피의 TDS 를 측정할 수 없는데, 이는 커피 고형분의 5~10% 정도만이 전기 전도성을 갖기 때문입니다.

 

따라서 전기 전도도 미터에 따른 수치만을 가지고 커피의 TDS 농도를 계산한다면 1.45% TDS 를 갖는 커피를 전도도 미터로 실측할 경우 750~1450 ppm 정도의 수치를 나타낼 것입니다. 하지만 추출을 위해 사용된 물의 TDS 수치는 100~200 ppm 으로 단순히 비교할 경우 커피가 갖는 전기 전도도에 대비 꽤나 높은 수치를 나타내었기에 이전에는 커피의 TDS 산출시 물의 TDS 를 감산하여 반영하는 경우가 있었습니다.

 

그러나 커피의 농도를 굴절율을 통해 정확히 계산하는 방법이 개발되면서, 보다 손쉽게 커피의 농도를 측정할 수 있게 되었구요.

 

실제로 커피의 추출에서 물이 가진 TDS 는 실제 커피의 TDS 와 비교하여 굉장히 적은(TDS 농도 0.01-0.02%) 양이기에 추출수의 TDS 농도를 커피 추출을 위한 수식에 반영을 하는 것은 그리 큰 의미를 두지 않는다는 것을 염두해두어야 합니다.

 

VST 모조가 국내에 보급 되기전 조금 잘못된 제로셋(0점 초기화)에 대한 오해들이 있었습니다. 정보들이 많지 않았기에 있었던 헤프닝들이었는데, 이를 테면 증류수가 아닌 추출에 사용되는 물을 통해 O점을 세팅하는 등의 접근이 그것이었습니다. 당연하다시피 TDS 수치로 대변되는 물의 미네랄 성분이 꽤나 크게 다가오던 때였으니 그도 그럴만했죠. 하지만, 실제로 물의 TDS 는 커피의 TDS 농도와는 사실 큰 관련은 없었습니다.

 

2. 커피 TDS 농도를 재기위한 굴절식 브릭스 미터의 약점  

 

    

 

 

                 Reichert Digital Brix/RI-Chek            VST 의 Refractometer 스탠다드 버전    

 

  기본적으로 VST 의 Refractometer(굴절계)는 초기 Reichert Digital Brix/RI-Chek 미터를 계량한 버전이었습니다. VST 의 굴절계는 기본적으로 동일한 굴절식 측정 방식을 취하지만, 측정된 굴절율(nD)를 커피 수용액 속 고형분 함량인 TDS 수치로 변환해주는 프로그램을 내장하고 있는 것이 특징입니다. 

스탠다드 모델은 굴절률 오차 범위가 +/- 0.0002 였고, 이는 Reichert 사의 굴절계도 당연히 동일했었는데, 미국의 커피긱 유저들의 토론 과정에서도 굴절률에 기반한 BRIX수치를 커피 TDS 수치로 변환하는 상수를 적용해서 계산하는 방법이 논의되기도 했었죠. 당도계를 통한 커피 농도 측정 방법은 나름 호응을 이끌어 내기도 할 뻔 했지만, 실제 커피의 TDS 판별시 TDS 수치가 자동 계산되는 VST 의 굴절계 가격과 별차이가 없었기에 큰 반향은 불러오지 못했죠.

 

 

 

Misco 社 의 Refractometer

 

 

 

VST의 Refractometer LAB

 

기존 스탠다드 버전에서 개량이 된 버전은 미스토사의 커스텀 굴절계를 기반으로 한 LAB 버전입니다. 역시나 기본적인 굴절률을 토대로 커피의 TDS 농도를 계산하는 기능이 내장이 되어 있습니다. 굴절률 오차가 전작보다 10배 개선이된 +/- 0.00001 의 수치로 정교한 TDS 측정 능력을 갖추고 있습니다.

 

왜 브릭스 미터를 커피 측정용으로 사용하는 것이 그리 타당하지는 않는가? > 이것도 비싸다고!

 

기본적으로는 굴절식 브릭스 미터 가격도 꽤나 높습니다. 20만원대 보급형 굴절식 당도계는 앞서 언급한 대로 굴절오차가 제법 있는데다 가격도 저렴하지 않아 그에 따른 효율성이 낮습니다. 그리고 VST LAB 시리즈의 굴절계가 갖는 정교성을 위해서는 사실상 100만원 이상의 브릭스 미터를 구입해야하는데, 이 경우 역시 정확한 커피의 TDS 변환식을 적용하기 힘들기에 사실상 커피용 TDS 측정기로 사용하기에는 적합하지 못합니다. 하지만 이미 보유하고 있는 브릭스 미터가 있다면, 미국 커피 포럼에서 2012년 논의되던 대략적인 Brix - TDS 변환공식을 적용해서 테스트해보는 것도 좋은 경험이 될 수 있습니다. 물론 이러한 접근이 시도되는 것은 VST 사의 굴절계 가격탓이겠죠. 정교한 측정 장비는 측정의 즐거움을 줄 지언정, 가격적 만족은 저만치 먼나라의 이야기인듯 합니다. 아.. 사실 모든게 다 그런거 같기도..

내가 추출한 커피에 대한 맛의 기준을 잡을 수 있을까?

앞서 서론(커피 TDS 1편)에서 말했듯이, 커피의 맛은 개인의 미각을 가지고 평가할 수밖에 없다. 그래서 때론 맛있다고 생각하는 커피의 기준이 다 다르기도 하고 결국 ‘맛’은 주관적이라는 결론을 내리기도 한다. 그러나 맛이 주관적이라 하더라도 맛 평가에 있어 객관적 기준은 존재하며, 결국 이런 객관화를 통해 우리는 커피 한잔이 적절하게 추출되었느냐 아니냐에 대한 과학적 기준도 잡을 수 있다.

 

커피 추출이 잘 되었는지는 추출 수율을 통해 기준을 잡을 수 있다. 수율(收率)이란 원재료 대 생산 결과물의 비율이다. 커피콩의 전체 성분을 100이라 놓고 볼 때 이중 18-22% 정도의 성분이 용해되어 추출되면 일반적으로 ‘추출이 잘 되었다’고 할 수 있다. 우리가 커피를 아무리 곱게 갈아서 추출한다고 하더라도 커피 가루는 물에 다 녹지 않고 여과지에 남는 것을 볼 수 있다. 남는 가루의 70%를 차지하고 있는 것은 섬유질로 물에 녹지 않으며 탄수화물, 지방, 산, 오일, 휘발산 등의 성분들만 녹아 커피의 향미로 표현되는 것이다.

 

추출 수율을 이해하기 위해선 먼저 커피 한잔의 농도에 관해 이해해야 한다. 커피의 추출 수율을 계산하려면 결과물로 내려진 커피의 농도를 알아야 하고, 커피 한잔에 담긴 커피 성분의 양을 측정했다면 원재료인 원두에서 어느 정도의 성분이 빠져나왔는지 역으로 계산이 가능하다.

전문적인 용어로 농도(Strength)는 용액에 들어있는 한 성분(용질)의 상대적인 비율로 Total Dissolved Solid, 총 용존 고형물로 그 단위를 표현할 수 있다. 용어를 줄여 TDS라고 한다. 조금 더 쉽게 설명하면 농도란 커피가 진하다, 연하다의 개념이며 사람마다 적절한 농도에 대한 기호도는 모두 다르다. 똑같은 커피라도 개인마다 스트롱, 마일드 등의 선호도의 차이가 있는 것이다.

TDS는 100%의 순수 용액을 제외한 다른 유기물과 무기물들이 어느 정도 있는가를 보여주는 지표로 단위는 mg/L을 사용한다. mg/L란 단위는 보통 수질을 측정할 때나 대기 중 오염도에도 사용하는 PPM과도 연관이 있는 단위인데, 물 1L에 1mg의 성분이 들어 있을 경우 1PPM이라고 표시한다. 예를 들어 1L의 물에 13,000mg의 물질이 들어있다면 그것은 13,000mg/1L, 또는 13,000PPM이라 표시하고 동시에 퍼센트로 환산한다면 1.3% TDS라 볼 수 있다. PPM은 parts per million의 약자로 이 단위 또한 물질의 양을 백만분의 1이라는 단위를 표현하는 용어이기 때문이다. TDS는 커피뿐만 아니라 다양한 곳에서 사용되는 개념으로, 예를 들면 각 도시의 수질 검사 항목을 살펴보면 PH외에도 물에 들어있는 각각의 성분들 또한 mg/L으로 표현함을 볼 수 있다. 증류수 같은 순수한 물이라면 TDS는 제로에 가깝다.

 

추출된 커피 한잔을 100이라고 본다면 그 안에는 물과 커피 맛을 내는 고형성분이 섞여 있는 셈인데, 그 값을 TDS로 나타낼 수 있다. 농도의 차이가 있는 커피를 비교하면 고형성분의 양 차이가 10%이상 많을 것이라 예상하지만 그렇지 않다. 약 98~99%의 비중은 물이며 1-2%만 커피의 고형성분이다. 그래서 실제로 1%의 차이가 맛의 첫인상을 좌지우지 하는 것이다.

그럼 실제 단위로 대입해 보자. 커피를 추출한 다음 커피의 양을 측정한 후, TDS를 측정한다. 예를 들어 200g의 드립 커피를 추출했고, TDS를 측정했는데 1.3%가 나왔다면, 2.6g이 커피가루에서 빠져나온 고형성분이고 197.4g은 물이라고 할 수 있다. 커피는 너무 강력한 물질이여서 단 몇 그램의 향과 맛이 전 세계인들을 황홀하게 매혹시키는 것이다.

 

커피 추출의 기준을 잡는 수율을 측정하기 위해선, 반드시 결과물인 커피의 TDS를 정확하게 측정해야 한다.

TDS를 측정하는 방법은 여러 가지가 있다. 탈수 방식(dehydration)으로 건조시켜 남은 고형성분을 측정하는 방법, 아르키메데스가 유레카를 외치게 한 원리를 이용한 액체비중계, 전도도를 이용하는 방법, 그리고 굴절률을 이용하는 방법 등이 있다. 이 중 쉽게 TDS를 측정하는 방법은 굴절률과 전도도를 이용한 방법이다.

굴절률을 이용한 방법은 빛이 공기 외의 다른 매질에 닿으면 속도가 느려진다는 원리를 사용한다. 초등학교 과학시간을 생각해보자. 플라스크 안에 담긴 물에 젓가락을 넣으면, 젓가락이 휘어 보인다. 이 현상은 물이란 매질을 지나가는 빛의 속도가 감소하며 밀도 차이에 따라 빛의 속도가 변하여 굴절 현상이 일어는 것이다. 용액에 녹아 있는 고형 물질들은 빛의 속도를 변화시키고, 굴절률과 TDS값은 비례하기 때문에, 굴절률의 값을 보정하여 TDS값을 측정할 수 있다.

전도도를 이용한 방법은 용액이 얼마나 전기를 흐르게 할 수 있는가에 대한 값을 측정하는 것이다. 물 분자에 양극의 전기를 통하게 하면, 물 안에 있는 불순물(고형성분)들이 전해질이 되어, 각각 양전하와 음전하로 해리된다. 마치 전기를 이어주는 다리가 되는 것처럼 물 안에 고형성분들이 많을수록 전기의 흐름이 더 좋아지고, 전기 전도도가 높다고 표현된다. 역으로 생각하면 전기 전도도가 높게 측정된 용액은 그 안에 전해질=고형성분들이 많이 존재한다는 것이다. 전도도와 TDS는 비례하지만, 약간의 편차가 있을 수 있는데, 전기전도도는 고형성분이 이온 상태 일 때만 측정이 된다는 것이다. 만약 성분이 이온 상태가 아니라면 용액에 존재하여도 측정이 되지 않는다. 하지만 이 방법을 이용한 측정도구는 인터넷상에서도 10만원대 안으로 구매가 가능하고 TDS를 측정하고 싶다면 가장 쉽게 접근할 수 있다.

 

커피의 농도는 개개인의 선호도를 뛰어넘어, 나라와 대륙에서도 차이를 보인다.

아래 표는 각 대륙마다의 농도의 선호도를 나타낸 커피 브루잉 컨트롤 차트(Coffee brewing control chart)의 일부로, 1950년부터 커피 브루잉에 관한 연구가 미국에서 시작되어 여러 기관을 거쳐 완성된 것이 지금의 표다.

첫 번째 표의 왼쪽 Y축의 strength는 추출된 커피 한잔의 고형성분을 퍼센트 한 것이다. SCAA, 미국 이 선호하는 농도는 1.15% - 1.35%이다. SCAE 유럽의 경우 1.2% - 1.45%로 조금 더 강한 농도를 선호하며, 북유럽권인 노르웨이에서는 1.3% - 1.55%의 농도를 선호한다. 한국엔 아직까지 정확한 선호 데이터는 없다. 신흥 커피 소비국으로 떠오르는 브라질 같은 경우 2%이상의 스트롱한 커피를 선호한다고 한다.
우리는 흔히 다크 로스팅(Dark Roasting)의 경우 커피를 마실 때 진한 커피, 농도가 강한 커피의 개념을 가지고 있고, 라이트 로스팅(Light Roasting)의 경우 농도가 연할 것이라는 생각을 한다. 하지만 강한 농도의 커피를 선호하는 북유럽권의 대부분은 라이트 로스팅을 선호한다. 커피 한잔에 담긴 고형성분의 양은 추출에 따라 달라질 수밖에 없다. 똑같은 조건에서 추출하여도 로스팅에 따라 추출양상이 바뀌긴 하지만 추출 시간, 분쇄도, 물 온도 등, 추출하는 사람과 추출 환경 조건에 따라 커피의 농도는 천차만별일 것이다.

그렇다면, TDS가 높으면 높을수록, 즉 커피 한 잔에 맛을 내는 고형성분이 많으면 많을수록 맛있는 커피, 추출이 잘 된 커피라고 말할 수 있을까? 그렇지 않다. 예를 들어 TDS가 2% 이상인 커피를 마시면 한국인들 대부분은 굉장히 진하고 쓰다고 생각할 뿐 맛있다는 느낌을 지니기 어렵다. 반대로 TDS 1% 미만인 커피를 시음한다면 많은 소비자들은 커피 맛이 밋밋하다고 생각할 것이다. 그럼 추출 수율이 이상적이라고 이야기되어지는 1.5% 정도의 커피를 마신다면 커피 맛이 훌륭하다고 생각할 수 있을까? 그럴 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 맛이 있다 없다는 단순히 TDS가 적절한가 아닌가 즉 고형 성분의 양이 많은가 아닌가의 기준이 아니라 그 녹아내린 고형 성분 중 어떤 성분들이 얼마만큼 조화롭게 추출되었는가에 의해 ‘맛이 있다’와 ‘맛이 없다’로 결정되기 때문이다. 여기서 우리가 생각해 볼 것은 굳이 TDS로 맛을 예측할 수 없다면 왜 추출 수율을 맞춰야 하는 걸까? 그것은 커피 추출에 있어 객관적 근거를 잡기 위해서이다. 내가 내린 커피가 최소한 커피 맛이라는 맛을 지니기 위해서는 적절한 TDS범위 안에 들어와야 맛의 음미가 가능하기 때문에 원두량, 분쇄도, 물의 온도, 추출 시간 등을 조절해서 커피 음료의 일정한 TDS 구현하는 것이 매장에서 필요하며 이것이 바로 과학적 추출의 시작인 것이다. 내 입맛에 맞는 농도의 커피가 맛있다는 식의 개개인의 기호에 의존한 매번 변하는 농도가 아닌 객관화된 자료에 근거한 추출의 일관성이 필요한 것이다.

 

우리가 흔히 ‘맛이란 주관적이다’라고 생각하는 것도 어찌 보면 개인의 추출 스타일, 혹은 각 카페만의 추출 스타일로 만들어진 농도의 정도라고 볼 수 있다. 아무리 농도가 내 입맛에 맞아도 추출 수율의 기준에 맞지 않는다면 그것은 잘 된 추출이라 볼 수가 없어 객관적인 기준에 부합하지 못하게 된다.