완전한 에스프레소 4 - 에스프레소의 추출 원리

[침묵]

완전한 에스프레소 제4장 에스프레소의 추출 원리

1. 에스프레소 추출의 물리화학적 특성

에스프레소는 분쇄한 커피 층 (coffee cake) 에 뜨거운 물을 투과시켜서 일정한 양의 가용성 고형분 (soluble solids) 을 추출하는 것이다. 물의 투과 속도 (spatial velocity)는 화학 반응 이론에 기초하며 커피 층의 단위 면적을 통과하는 물의 속도를 의미한다. 에스프레소는 90℃로 가열한 물이 커피층을 통과하는 동안 압력이 떨어지므로 가압해야 하며, 연속적으로 추출되게 하기 위하여 물의 평균 투과 속도는 커피 층의 어디에서나 일정하게 유지되어야 한다. 투과하는 물의 압력은 추출 축을 따라 점점 감소되어 대기압이 되며 추출액은 중력에 의하여 컵에 떨어진다. 화학적 관점에서 보면 에스프레소 추출은 가용성 고형분과 함께 지방과 미세 섬유소로 된 추출 콜로이드(brew colloid)를 함께 추출한다.

에스프레소의 추출 시간은 평형을 이루기에 너무 짧아서 분쇄 커피의 내부에 있는 가용성 고형분이 확산 작용에 의하여 외부 용액으로 이동하기 보다는 세포벽 외부에 있는 가용성 고형분을 주로 씻어내는 것으로 생각한다.

2. 에스프레소 커피의 추출 모델

에스프레소의 추출을 수학적으로 방정식화하려는 시도는 1960 년대부터 시작되었으며, 커피층의 투과에 대한 저항이 압력을 떨어뜨리는 주 원인이 되는 것을 확인하였다. 에스프레소 추출은 수력학적으로 다섯 가지 변수가 관련된 방정식으로 정의된다.

 

추출된 에스프레소 양(V)은 커피 케이크 내부의 온도(T), 추출 시간(t), 커피층 상하의 압력 차 (△p) , 커피층의 수력학적 저항 계수 R에 의하여 결정된다. 에스프레소의 추출은 이상적 투과 현상과 달리, 일정한 압력에서도 투과 속도가 변하며 초기에 급격히 상승한 후 시간의 경과에 따라 점차 감소한다. 평균 투과량은 가해진 압력에 비례하지 않고 상승했다가 수평이 되거나 감소한다. 투과 속도의 급속한 감소는 분쇄 커피 층의 입자들이 시간에 따라 영향을 받는 것을 의미한다. 전자 현미경으로 커피층의 내부 구조를 관찰해 보면 굵은 입자들 사이에 있던 미세한 세포 조각들이 이동하여 커피 층의 하부에 모이는 것이 관찰된다.

3. 에스프레소 추출기의 구조와 역할

에스프레소 추출기는 기본적으로, 첫째, 분쇄 커피를 단단한 케이크(cake) 형태로 만들어 추출한 후 찌꺼기를 분리하는 추출 챔버 (extraction chamber), 둘째, 물을 90℃ 내외의 온도로 가열하는 열 교환기 (heat exchanger/boiler) , 셋째, 가열한 물을 9kg 의 높은 압력으로 가압하는 펌프 (pump) 그리고 넷째, 물을 정수하는 정수기로 구성되며, 기타 자동 조절판과 컵 건조대 등이 있고, 전체적으로는 ‘에스프레소 추출기(espresso machine)’라고 부른다.

펌프(pump): 에스프레소 추출기의 자동화는 압력을 만드는 펌프를 사용함으로써 가능하게 되었다. 펌프는 전기 모터로 가동되는 임펠러와 조절이 가능한 by-pass 밸브로 구성되어 있다. 가정용 추출기에는 부피나 비용을 고려하여 원심(centrifugal)펌프 대신 진동 (vibration) 펌프를 사용한다.

열교환기(heat exchanger): 현대적인 자동 에스프레소기의 열교환기는 저항기에 의하여 가열되는 3-10 리터 크기의 저압 보일러이다. 최근의 간편 모델에는 보일러 대신 전기 저항기를 가진 금속관으로 된 직접 열 교환기가 장착되어 있다. 이 열조절기는 기계 안에 고정되어 있으며 그룹 헤드에 떨어지는 물의 온도가 90±2℃가 되도록 조절한다. 용량이 큰 에스프레소 추출기에는 에스프레소 추출에 사용하는 물의 온도를 조절하는 보일러와, 증기와 뜨거운 물을 만드는 보일러가 각각 장치되어 많은 양의 커피를 균일하게 추출할 수 있다.

추출 챔버(extraction chamber): 추출 챔버는 필터 (filter) 와 홀더 (holder)로 구성되어 있으며 분쇄 커피를 필터에 붓고 다진다. 펌프가 멈추면 물이 더 이상 커피 케이크에 공급되지는 않으나, 남은 압력에 의하여 필터 홀더를 뺄 때 물이 튀길 수 있다. 이 문제점을 해소하기 위하여 추출이 끝날 때 추출 챔버의 압력을 낮춰주는 장치가 있다. 이것은 통상 펌프의 가동 스위치에 연계된 체크 밸브나 서보 조절 밸브에 의하여 수행된다.

정수 시설(water pre-treatment): 커피 추출기의 또 하나 요소는 수도에서 들어오는 물을 정수 처리하는 시설이다. 업소용 추출기에는 열효율을 낮추는 스케일을 방지하기 위하여 연수 장치나 탈염 장치로 정수하여 사용한다.

4. 에스프레소 추출에 영향을 주는 요소들

에스프레소 커피는 첫째, 즉석에서, 둘째, 빠른 시간에, 셋째, 가압 추출한 커피로 정의하며, 다음의 열 가지 요소가 추출한 커피의 품질에 영향을 준다.

(1) 커피 사용량(ground coffee portion): 잔당 커피 사용량은 최하 5g 에서 최대 8g 이며, 통상 두 잔씩 (double shot) 뽑도록 조절되어 13g을 사용한다. 사용량은 기본적으로 추출 수율에 의하여 조절되며 블렌드와 볶음도에 의해서도 영향을 받는다. 한잔 분의 커피량은, 공기 냉각한 아라비카 콩의 경우 6.5g이 적량이며 수분 함량이 변할 때는 비례하여 조절해야 한다. 로부스타 블렌드의 경우는 추출 수율이 높고 거품을 내는 성분이 들어 있어서 양을 약간 줄이는 것이 좋다. 분쇄 커피의 밀도가 일정하지 않고 압축의 정도에 따라 차이가 있으나 실제적으로는 무시하고 계량하는 것이 일반적이다.

(2) 분쇄 입도(particle size distribution): 에스프레소를 위한 최적의 분쇄 입도의 분포 (size distribution)는 단일한 입도가 아니며, 평균 직경이나 최적의 입도 분포로도 충분히 설명하지 못하고 있다. 실제로 분쇄기 제조 회사의 경험에 의하여 입도 분포가 정해지며, 에스프레소의 복잡성은 입도의 이중적 특성 때문이다. 엉성한 구조를 형성하여 물이 커피층을 잘 투과하게 하는 반면, 많은 수의 미세한 입자들이 큰 표면적을 가지므로 많은 가용성 성분과 유화될 지방을 추출할 수 있다. 에스프레소의 품질에 가장 영향을 많이 주는 추출 속도와 추출량은 분쇄 입도로 조절하여야 한다. 일반적으로 분쇄 입도가 너무 가늘면 추출 속도가 느려서 과소 추출(under extraction)되며, 너무 굵으면 추출 속도가 빨라서 과다 추출 (over extraction) 된다.

(3) 커피 케이크의 공격 (空隔, cake porosity): 최적 (最適)의 입도 분포는 최대의 표면적을 가지게 하는 것이다. 그러나 그러한 입도는 물의 정상적인 투과를 허용하지 않는다. 커피 입자들 사이의 공간은 커피 입자의 분포가 달라지면 현저히 변한다. 커피층의 공격(空隔)을 결정하는 다른 요소는 압축이다. 탬퍼(tamper) 를 사용하여 다질 때는 약 20킬로그램의 압력을 가한다. 커피 층이 적당히 다져지지 않으면 뜨거운 물이 투과할 때 국지적으로 채널을 만들 우려가 있으며, 압축이 너무 과다하면(>40 kg) 커피 층의 모양을 변형시킨다.

(4) 커피 케이크의 모양 (cake shape): 두 잔 용 (double shot) 표준 필터는 원형으로 폭이 60mm, 깊이가 12mm이며, 정확한 치수는 제작사에 따라 약간 차이가 있다. 필터의 깊이와 폭의 비가 0.2 이하가 되면 표준 시간에 맞추어 추출되게 하기 위해 분쇄 입도가 더 가늘어야 하며, 물이 한쪽으로 투과되어 채널을 만들기 쉽다. 깊이와 폭의 비가 0.2 이상이 되면, 표준 시간에 맞추어 추출되기 위해서 더 굵게 분쇄하거나 더 높은 압력으로 탬핑(tamping)해야 하며 통상 추출 수율이 낮다. 커피 케이크의 팽창은 커피 블렌드, 볶음도 그리고 담는 량에 의하여 결정되며, 과도한 압축을 방지하기 위하여 필터의 상부에 5-6mm의 간격 (head space) 을 남겨야 한다. 커피 케이크의 모양을 특징짓는 마지막 요소는 필터의 투과성이다. 일반적으로 필터 구멍의 직경은 보통 0.2mm이며 막히지 않도록 설계되어 있다.

(5) 수질 (water quality): 에스프레소를 추출하는 물의 질(水質)은 관능적 요소와 기계적 요소에 영향을 준다. 수돗물의 잔류 염소가 0.5 ppm만 되어도 커피의 향기 성분이 산화되어 이취(異臭)를 생성하므로 활성탄 등으로 제거해야 한다. 칼슘이나 마그네슘이 들어 있는 경수(硬水)는 가열하면 불용성 수산화 화합물을 생성하여 열교환기 내부에 스케일(Scale)을 만든다. 가정용 에스프레소 기계는 약한 식초액으로 세척하도록 권하며, 업소용 에스프레소 기계는 연수기(softener)나 탈염기 (demineralizer)를 사용한다. 연수기는 물의 경도가 높을 경우 유리된 나트륨이 맛을 떨어뜨리며 알칼리도를 높인다. 역삼투압(reverse osmosis) 정수기는 적합한 반투막을 선정하고 by-pass로 적절히 조절하면 원하는 경도(硬度)를 유지할 수 있다. 커피의 품질에 미치는 경도(硬度)의 주된 영향은 추출 시간으로서, 경수(硬水)의 추출 시간은 연수에 비하여 15% 이상 길어진다. 물의 경도가 8ppm 정도일 때는 차이 가 나지 않기 때문에 연수나 탈염 처리를 하도록 권하지 않고 분쇄 입도를 약간 굵게 하여 추출 시간의 증가를 상쇄하도록 한다. 경도와 pH가 추출 속도에 영향을 미치는 것은 칼슘 이온과 pH 변화가 커피에 들어있는 자연 계면활성 물질(surfactant)에 작용하여 유화력을 변화시키기 때문이라고 설명하기도 한다.

(6) 온도(temperature): 커피의 추출 온도가 높아지면 반응 속도가 증가한다. 에스프레소의 품질은 물의 온도가 92℃ 부근으로 높아질 때까지 계속 높아지나, 그 이상의 온도에서는 쓰고 떫은 성분이 증가된다. 에스프레소 추출기를 디자인할 때 온도의 조절은 가장 중요한 요소의 하나이다. 물의 온도뿐 아니라 커피 케이크의 온도도 균일하게 유지하기 위하여 소량의 온수가 추출 챔버를 순환하게 한다. 에스프레소는 추출 전 컵을 뜨거운 물로 데우는 것이 필요하며, 업소용 에스프레소 추출기에는 보통 기계 상단에 컵 데우는 선반이 마련되어 있다.

(7) 압력(pressure): 에스프레소 추출 과정에서, 커피층 (coffee cake)에 가하는 압력은 모든 커피층에 일정하지 않고 변한다. 예비 투과(pre-infusion)는 커피 입자들이 팽창하여 견고한 조직을 만들게 하므로 안정된 상태로 투과하게 한다. 업소용 에스프레소 추출기에는 원심형 펌프가 장착되어 9 기압 (bar)을 유지하며, 이 압력은 에스프레소 추출기를 개발하던 초기에 반복 실험에 의하여 얻은 결과이다. 커피 케이크의 평균 투과 속도는 9기압까지 직선적으로 증가하다가 그 이상에서는 오히려 감소하는 것을 보여준다. 즉 추출기와 커피 케이크의 전체 시스템에서 압력의 변동을 자동적으로 조절하는 능력이 있는 것을 보여주며, 완전히 다른 조건으로 인하여 추출 커피의 품질이 다를 가능성이 큼에도 불구하고 실제는 향미가 비슷한 커피를 만든다. 분쇄 입도가 알맞지 않으면 추출 시간에 영향을 줄 뿐 아니라 추출 압력에도 영향을 주기 때문에, 추출기에 적합하게 분쇄 입도를 조절하는 것은 매우 중요하다.

(8) 추출 시간(percolation time): 에스프레소의 추출 요소 중 사람에 의하여 잘 변하는 것이 추출 시간이다. 실제로 대부분의 소비자나 바리스타는 추출 시간을 관찰하기보다는 컵에 커피가 차면 추출이 종료된 것으로 생각한다. 커피량은 지역적 습관이나 개인의 기호에 따라 변한다. 남부 유럽에서는 일반적으로 25-30초 사이에 25-30ml를 추출한 에스프레소를 가장 선호하는 반면, 북부 유럽이나 아메리카에서는 70, 90, 120ml까지 늘어나기도 한다. 정상적인 양보다 많은 커피량을 추출할 때는 추출 시간을 늘리기보다 분쇄 입도를 크게 하거나, 구멍이 더 많은 필터를 사용하는 것이 과다 추출을 방지하여 커피 맛을 좋게 하는 방법이 된다. 에스프레소의 추출 시간은 35 초를 초과해서는 안 된다. 30 초 안에 연하게 볶은 커피로 70ml 까지 추출하여도 마실 만한 품질의 커피가 추출된다.

(9) 예비 투과 (pre-infusion): 추출 전에 소량의 물을 추출 챔버 안의 커피 케이크에 부어서 분쇄 커피를 적시는 것을 예비 투과(적시기)라고 하며, 본 추출은 수초 후에 시작한다. 예비 투과 과정을 거친 후 추출한 에스프레소는 예비 투과 없이 추출한 에스프레소보다 향미가 더 풍부하고 중후하다. 예비 투과에 의하여 커피 케이크가 팽창하여 추출을 균일하게 하기 때문이다. 많은 에스프레소 추출기에는 쵸크 노즐(choke nozzle or jet)이 장착되어, 추출 챔버 안으로 물이 들어오는 것을 늦추고 예비 투과(적시기)를 자동으로 한다.

(10) 기계의 청결 관리(machine cleanliness):

추출기는 이물질이 혼입되거나 미생물의 번식을 방지하기 위하여 청결하게 유지하여야 한다. 기계 청결상태는 불량해도 안 되지만 너무 지나쳐도 추출 커피의 품질에 부정적 영향을 준다. 유럽에서 오래 지켜오는 전통은 에스프레소 추출기를 청소할 때 비누나 합성 세제가 아니라 흐르는 따뜻한 물로 세척하는 것이다. 필터의 작은 구멍들은 매우 주의하여 헹구어도 세제 성분이 잔류하기 쉽다. 추출을 몇 회 하면 금속 표면에 커피 기름과 미세한 입자들이 흡착되어 표면을 매끄럽게 만들며, 너무 과도하게 청소한 기계로 커피를 추출하면 커피에서 금속 맛이 난다. 커피 기계 세척용으로 냄새가 강하지 않고 거품이 덜 나는 연한 세제가 개발되어 있으며, 기계의 주요 부위에 찌꺼기가 침착하지 않도록 정기적으로 세척하도록 권한다. 에스프레소 추출기에 경수를 쓸 때는 기계의 밸브나 전기 저항기에 심각한 위험을 초래하는 스케일을 방지하기 위하여 약한 식초산이나 칼슘 제거 용 용액을 수 분간 통과시키고 끝난 후에는 물로 충분히 헹군다.

5. 에스프레소 커피의 향미 특성

잘 만들어진 에스프레소 커피는 따뜻한 색깔의 거품, 강렬한 향기, 부드러운 촉감, 강하면서 오래 지속되는 맛 등으로 우리를 즐겁게 한다. 작은 잔의 에스프레소 한 모금은 커피의 화학적 복합성과 관능적 즐거움을 함께 느끼게 한다.

(1) 시각적 특성 - 크레마(crema)

에스프레소의 아름다운 거품층은 진한 커피액에 미세한 지방분과 섬유질 조각들이 떠서 호랑이 꼬리 모양의 붉은 층을 만든다. 완벽한 거품은 커피가 완벽하게 만들어진 것을 의미한다. 거품의 색깔이 연하거나 촉감이 약하면, 커피의 분쇄 입도가 굵거나 물의 온도가 낮아서 과소 추출(under extracted)

된 것이며, 거품의 색깔이 너무 진하고 중앙에 구멍이 생기면 분쇄 커피를 너무 많이 담거나 단단히 다져서 과다 추출(over extracted)된 것이다. 완전한 에스프레소는 아름다운 적갈색, 조밀하고, 3-4mm 의 두꺼운 거품이 추출액을 덮어서 향기를 보존한다.

(2) 관능적 특성 - 향기, 맛 그리고 중후함

향기 (aroma): 에스프레소의 가장 중요한 품질 요소는 향이다. 에스프레소 커피의 지방과 섬유질 입자들은 향기 성분들이 증발하고 산화하는 것을 방지하므로 향기가 풍부한 커피가 된다. 중요한 향기 특성은 꽃(floral), 과실 (fruity), 볶은 견과류 (roasted) 등이지만, 잘못 가공되면 곰팡이 (moldy) 이나 풋내 (grassy) 등의 나쁜 냄새가 날 때도 있다.

중후함 (body): 커피를 마실 때 입안의 점막에서 온도와 함께 중후함(촉감)이 인식된다. 중후함은 입천장에서 혀를 움직일 때 느끼는 물리적 감촉으로 농도와 직접적 관계는 없다. 중후함은 에스프레소의 지방과 미세한 섬유소들로 이루어진 추출 콜로이드(brew colloid)물질이 많을수록 풍부하게 느껴지며, 향도 중후함을 더 증가시키는 요소다.

맛 (taste) : 에스프레소의 전체적 맛 (flavor profile) 에서 달콤한 맛 (mellow) 은 매우 중요한 요소인 반면, 상큼한 맛 (acidy)은 중요하지 않다. 상큼한 맛과 쓴맛의 선호는 지역과 소비자들의 기호에 따라 다르다. 볶음도를 조절하여 상큼한 맛과 쓴맛을 조절할 수 있으나, 너무 진하게 볶은 커피에서는 자극적이며 불쾌한 탄내(burnt)가 강하게 나기 쉽다. 또 급속 로스팅한 커피도 떫은 맛, 쓴맛 그리고 금속 맛이 강하게 나는 경우가 있다.

뒷맛(aftertaste): 에스프레소의 진한 농도(濃度)는 비중(比重)과 점도(粘度)를 높이지만, 지방과 섬유소에 의한 추출 콜로이드(brew colloid)는 커피액의 표면 장력을 낮추어 에스프레소의 강한 맛과 오래 지속되는 뒷맛의 이유가 된다. 에스프레소의 지방 입자들은 혀의 점막을 덮어서 향기 성분의 분자들이 천천히 방출하게 하며 쓴 맛도 감소시킨다. 완전한 에스프레소는 향기가 풍부하고 중후하며, 상큼한 맛이 적으면서 달콤한 맛과 쓴 맛이 잘 조화되고 뒷맛이 오래 살아있어야 한다.