커피의 화학

 

 

 

 Coffee’s Origin

 

커피나무(coffee plant)는 아마 Africa와 Madagascar에서 가장 많이 유래되었을 것이다. 
초기의 재배는 에티오피아 고원지대에서 보고되며, 홍해(the Red Sea)의 다른 면 예멘에서도 보고된다 – 기후와 지형이 비슷하기 때문에 놀라운 일이 아니다. 전설에 따르면, 커피는 첫 천년에 아프리카 밖으로 전해졌다. 다른 이야기들은 로스팅의 발견과 음료로의 소비로 이끈 발견을 다루고 있다. 

커피는 회귀선들(tropics) 사이에 놓인 지역들에서 가장 잘 자란다. 오늘날, Figure 1과 같이 지리적 벨트에 속하는 거의 모든 대륙에서 발견되며, 아주 최근에는 오스트레일리아에서도 발견되고, 이 지도에서는 표시되어 있지 않지만 중국의 연남(Yunnam) 고원지대에서도 발견된다.

 

커피에는 Arabica와 Robusta, 2가지 種이 있으며, 각각 생태를 가지고 있다. 커피는 무역 가치 측면에서 가장 중요한 상품 중 하나이다 (Simpson & Conner-Ogorzaly, 1995: 448). 

 

 

 Early Cultivation and Consumption

 

커피에 관한 최초의 문헌은 9-10세기 아랍 과학자들에 의한 것으로 보인다.  (페르시아 의사 Rhazes (853–935), 아랍 의사 Avicenna (980–1037), 학문과 과학의 세계에서의 대학자(polymath)). ‘bun’이라고 지칭했는데, 그것은 Ethiopia와 Yemen의 자극성 식품이었다. 그것은 아마 씹어 먹는 것이었을 것이다.

가장 오래된 물질 원천은 약 AD 1200으로 거슬러 올라간다.  탄화된 고식물(carbonized paleobotanic) Arabica 커피콩들이 아라비아 반도의 동쪽 Oman 근처의 한 고고학 발굴지[1]에서 Yemen의 13세기 초기 그릇들과 함께 1997년에 발견되었다. 이 콩들은 분명히 자라는 장소에 있는 것이 아니었기 때문에, 당시에 커피가 교역 되었음을 가리킨다. 그 발견들은 또한 그 콩들이 Yemen에서 왔으며 사람들이 그것을 로스팅하는 것에 대해 알았음을 나타냈다 [2]. 

1600년대까지 커피 재배는 아라비아에 제한되었고, 이들은 주로 Yemen의 고원지대에 집중되었는데, 이는 정교한 관개 시스템이 이뤄지고 있었다 [3]. 이 독점을 보유하기 위해, 커피나무의 수출이 엄격하게 금지되었고, 심지어 교역을 위한 콩들도 발아 불가하게 만들어졌다고 한다.  

커피는 생산자나 교역자들에게 모두 경제적으로 중요했다. 종교가 그 음료의 소비를 허용했는지 여부에 따라 비록 금지하는 시대가 있기 했지만 아랍 이슬람 세계가 그 음료에 친숙했다 [4].  Mecca 순례자들은 멀리 있는 고향에 그 음료에 대한 이야기를 전했다. 

 

커피의 사용은 오토만 제국(the Ottoman Empire)과 함께 지중해 일부로 퍼졌다. 1582년 이스탄불의 한 축제에서 길드들의 행진에 관한 오스트리아 공사관 직원들의 보고와 같이, 커피 추출업자들은 전문화된 길드까지 발전하였다. 

커피에 관한 상세한 정보가 과학자들의 여행기[6, 7]나 식물의 그림들과 그 소비에 대한 묘사를 실은 책의 인쇄본들을 통해 동 시대에 유럽의 기독교 파트에 도달했다. 열대 식물에 관한 더 초창기의 표준적인 연구의 1574년 개정판에서 언급되기 전에도 벗겨진 콩들이 유럽 과학자들 사이에 돌아다녔다 [8]. 

무역 상품으로서 커피는 1615년에 되어서야 非-이슬람 세계에 들어갔는데, 당시에는 몇 백(bags)이 베니스에 도달하였고[9] 수요와 공급이 이어졌다. 커피 무역의 주류는 Yemen의 수출 항구 Mocha로부터 나와 선박과 캐러밴을 통해 Cairo와 Alexandria로 흘렀다 [4].  그곳으로 부터 커피는 커피 하우스들이 번성하기 시작한 오토만 고객들과 유럽의 소비자들에게 퍼졌다. 1668년에 커피는 대서양을 건너 네덜란드 New York (암스텔담)에 도달했다 [10].  
 

 Ways Out of Arabia

 

아랍 세계에 적용된 모든 보호 규제들에도 불구하고, 그 음료에 대한 확장하는 관심은 커피 나무 재배를 위해 유사한 열대 기후에 대한 탐색과 커피 나무 이송 방법들을 찾는 노력들을 고무시켰다. 가능하게도, 그 첫 번째 확장은 인도의 서부 해안으로의 확장이었는데, 무슬림 순례자들이 Mecca로부터 커피를 가져왔다. 인도 커피의 신비로운 유래는 1600년의 전설에 나오는 Baba Budan이 Karnataka로 가져온 7개의 콩알들로 추적된다 [11.12].  

1658년에 커피는 인도에서 Seylon (현재의 Sri Lank)으로, 1696년 이후에 네덜란드 동인도 회사의 농장들로 그리고 Java로 이동한 것으로 보고되고 있다 [13]. Java는 아라비아 외부에 있는 세계의 커피 대량 공급자가 되었고, 반 세기 동안 유지되었다; 오늘날에도, 미국에서는 커피 한잔을 “cup of java’라고 보통 부르기도 한다.  

1706년에 네덜란드 식민지들로부터 커피 나무가 Amsterdam의 식물원으로 보내졌다; 거기로부터 살아 있는 나무들이 Surinam의 네덜란드 식민지로 재배를 위해 이송되었고, 1714년에 성장한 나무가 파리의 King Louis XIV에게 기부되었다 [14]. 그 다음 파리 사람들의 세대에 얼마간의 커피 나무들이 적합한 기후에서의 재배를 위해 캐리비안에 있는 프랑스 식민지들로 이송되었다. 약 1720년 경에 장교의 식수로 영양분을 공급받으며 Martinique로 가는 선박에서 살아남은 커피 나무 한 그루에 관한 유명한 교과서 이야기가 있다. 이는 그 장교에 의해 50년 후에 알려졌다 [15]. Amsterdam에서 유래되는 Typica라는 커피 품종이 점점 Latin America로 퍼져 나갔다.  

Arabica 커피 나무가 Yemen으로부터 퍼져 나오는 다른 경로가 있었다 : Louis XIV에 대한 예멘 술탄의 공식적 선물인 60개의 커피 나무 묘목들이 1715년에 프랑스령 Bourbon (현재 La Réunion)으로 보내졌다.  거기로부터, 커피의 Bourbon 품종이 아메리카와 여타 다른 곳들의 프랑스 식민지들로 들어갔다. 

커피 재배는 또한 포르투갈, 스페인, 그리고 영국(그리고 십 수년 동안은 독일도)과 같은 다른 식민지 파워들에 의해 촉진되었고 그들의 각 영향권역들로 확장되었다. 

 

Bourbon과 Typica가 오늘날 대부분의 아라비카 커피의 번식력이 풍부한 선조들이다 – 단 몇 그루의 나무들에서 단 300년 동안에 매년 수백만 톤의 아라비카 커피로 확장한 유전적으로 협소한 경로. 

다습한 열대지역 원산지들에서 국제적인 수요가 없이 자라는 다른 커피 타입들은 18세기부터 과학적 조사와 탐사의 대상이 되었다.  

오늘날 독립적인 커피 생산국들은 커피 나무의 유전적 유산과 다양성의 보존을 위한 범세계적 연구에 커피 생산국들과 협력하고 있다. 많은 소위 야생 또는 자생적 품종들이 유전 자원 관리를 받을 가치가 있다. 그들은 발전된 삼림 벌채에 의해 크게 위협 받고 있기 때문에 효과적인 보존 전략이 필요하다. 

 

 

 Discovery of the Robusta Variety

 

아프리카의 열대 지역들은, Guinea에서 Angola까지 그리고 동쪽의 Uganda 까지 다른 커피 종들을 보유하고 있다. 처음 경제적 중요성을 얻은 것이 에티오피아의 아라비카였고. 아라비아에서 초기에 재배되었다.   

아프리카의 다른 종들과 그것들의 토착적 재배와 교역에 관한 보고들은 19세기부터 나온다. 동 아프리카 나라들의 경우에 1857년[17]과 1862년[18]의 원정들이 커피가 그곳 사람들에게 친숙했고 집의 정원에서 재배되었으며 [19, 20], 그리고 그것의 자극 효과 때문에 생두로 씹어 먹었다[21, 22]고 알려주었다. 이 커피 종들의 정체에 관한 논의 즉 ‘야생 아라비카 커피냐 혹은 그 자체의 독특한 종이냐’에 관한 논의가 1897년까지 계속 되었는데 [23], 그 때 몇 가지 비-아라비카 종들이 Coffea canephora Pierre를 포함하여, 나중에 ex A. Froehner가 접미어로 붙은 종이 Froehner에 의해 결정되었다 [25].  

로스트 커피로 사용하기 위한 이 종의 재배는 1898년에 시작되었고 [26,27], 벨기에의 한 원예 기업에 의해 촉진되었다 [28, 29]. 이 커피는 벨기에인들이 Robusta라고 불렀는데, 질병에 더 강하다는 것이 밝혀졌고, 농장의 습도, 온도, 그리고 고도의 측면에서 생태적 필요조건들이 덜 했기 때문이었다. 비록 맛은 다르지만, 그것은 협소한 유전적 기원 때문에 질병에 취약했던 연약한 아라비카 커피들에 대한 유용한 대안에 될 수 있는 것으로 밝혀졌다 [30]. 대단히 파괴적인 Hemileia vastatrix 균류에 의해 유발되는 재앙적인 전염병인 leaf rust가 1869년에 시작됨에 따라 저항력이 강한 나무들에 대한 실제적인 수요가 있었디 [31]. 첫 피해는 Ceylon 커피 농장들이었다. 포기한 농장들에서 커피는 차로 대체되었다. 그 다음 곧 공격을 받은 커피 나라들은 인도였고 그 다음에 인도네시아였다. 결국 rust 내성이 있는 커피 타입들에 대한 연구가 Coffea liberica 종의 intermezzo 후에 Arabica 대신 Robusta로의 교체로 이끌었다. 지난 세기 동안, Robusta는 다른 커피 지역들로 퍼졌고 그 재배가 엄청나게 확장되었다.  

페스트와 질병들 이외에도, 커피 작물들은 또한 가뭄과 서리에 의해서도 감소될 수 있으며 [32], 따라서 커피의 가용량에 영향을 미친다. 이는 보통 브라질에서 서리 후에 발생되는데, 1970년대에 세계 공급에서의 감소를 유발하였다. 그러자 Robusta의 재배가 그 원산지인 서부 아프리카에서 증가했다. 1990년 이래로, 베트남에서의 꾸준한 증가가 있어 왔는데, 현재 베트남은 종합적으로 세계 2위의 커피 생산자이다 [33]. 

 

 

 Coffee as a Trade Commodity – World Production

 

커피 총 생산에 관한 데이터는 1620년 이래로 전반적인 증가와 새로운 생산 지역들의 등장을 보여준다. 몇몇 출처들로부터 편집된 이 데이터는 그래프로 Figure 2에 제시되어 있으며, 오늘날 개별적으로 표시된 최대 플레이어들 량도 함께 제시하고 있다. 

세계 커피 무역에 대한 알려진 데이터는 Yemen으로부터 모두 약 연간 1만 톤으로 시작하였고 [34], 그 다음에 Indonesia와 Caribbean이 뒤따랐다 [35, 37]. 2008년에, 총 약 8백만 톤이 교역 되었다 (대략 Brazil 35%, Vietnam 15%, Colombia 10%, 그리고 Indonesia 5%, 그 다음에 Ethiopia, Mexico,  and  India; Arabica가 60%를 차지). 세계 생산 수치들은 국내 소비도 있기 때문에 더 높을 것이다. 17세기 전의 세계 커피 생산 및 교역 량은 명확하게 보고된 것이 없다 ; 오늘날의 량에 비해 그것은 무시해도 좋을 정도였다. 

 

 

 

 From Field to Physiology

 

커피는 몇 단계들을 거치면서 그 최종 목적지인 인간의 소비에 도달한다. 이 모든 단계들(씨앗 성숙, 수확후 처리, 보관 및 육상-선박 수송, 로스팅, 홈 추출 또는 산업 추출, 그리고 궁극적인 중간처리)이 커피의 화학적 조성에 영향을 미친다. 

커피의 경제적 중요성은 생산국 및 소비국 모두에서의 농업, 직업, 그리고 복지에서 분명하다. 생산, 국제 교역, 그리고 범세계적 소비가 관련 국가들에서의 법제, 행정, 그리고 표준화에 있어서의 규제, 식품 감시, 관습, subsidaries, 분석 방법들, 그리고 많은 다른 측면들에 관하여 규범적 규칙들을 만든다. 커피 농업은 심지어 지구 생태계에 대해서도 영향을 미친다. 

본래 커피의 가장 오래 알려진 생리적 효과인 자극 특성이 커피 사용의 기본이었다; 나중에 정신 작용적 자극제로서 아로마틱한 로스트 커피 음료의 향음에 초점이 이동되었다. 오늘날, 커피의 효과의 작용 메커니즘에 관한 정교한 연구 덕분에 더 균형적인 관점이 우리의 웰빙과 건강에 대한 커피의 효과에 관해 등장하였다. 

 

 Plant Characteristics, Habit, and Growth

 

커피 나무는 제약된 성장이 아닌 경우에는 하나의 主幹部(main trunk)와 水平枝들(horizontal branches)이 있고 2次 및 3次 가지들로 분기하는 多年生 喬木 또는 小喬木 (perennial tree or treelet)이다; 剪枝(pruning)는 다중 줄기 나무(multiple-stem plants)로 유도할 수 있다.  

커피가 본래 자라는 장소는 숲의 下部層 (forest understorey)이다. 커피 나무들은 꽃송이들(clusters of flowers)과 체리 같은 열매들을 낳는다. 짧은 중심 원뿌리(central taproot)가 곁뿌리 및 側生根 (axillary and lateral roots)과 많은 feeder bearers와 뿌리털(root hairs)이 된다. 진한 녹색 타원형 잎들이 主莖(main stem)과 가지들에서 쌍잎들로 자란다. 나무 부분(wood)은 조밀하다(dense); 열매, 과즙, 그리고 잎들이 식품 자원이다.   

열대 조건들에서, 開花와 結實이 병행하여 일어난다; 적도에 더 가까운 커피 나무들일수록 이모작(bimodal cycle)이 현저하다. 

多莖 成長(Multistem growth)은 主莖을 capping하여 水平 分岐(horizontal branching)로 새로운 수직 줄기로 발달하는 흡지(suckers)가 생기게 하거나 또는 主莖을 한 줄에 여러 개의 흡지들과 함께 수평 줄기에 묶어 줌으로써(agobiado technique) 가꿔질 수 있다(trained). 

定期的 剪枝(Periodic pruning)가 양호한 結實, 용이한 收穫, 그리고 효과적인 病蟲害 컨트롤 뿐만 아니라 그 나무의 回春을 위해 樹形(plant shape)을 적정하게 하기 위해 이뤄진다. 

害蟲들이 밭의 나무를 공격할 수도 있고, 보관 중은 콩들을 천공(boring), 물어 뜯기(biting), 채굴(mining), 그리고 흡입(sucking)함으로써 또는 뿌리 체계에서 寄生蟲(parasites)으로 살면서 공격할 수 있다 : 병균(fungi), 바이러스(viruses), 그리고 박테리아(bacteria)가 심각한 커피 질병을 유발할 수 있다.  

추가적인 특징들과 모양들이 Table 1에 나와 있다. 각 특징들의 경우에, 모든 종들에 공통적인 특성들이 첫 줄에 씌여 있고, 그 다음에 각 종의 특징들은 해당 종들의 분리된 컬럼들에 따로 기입되어 있다. 

 

 

꽃 순(buds)에서부터 꽃의 발달은 수주일 걸리며, 開花 수개월 후에 열매가 열리고, 成長期와 休止期(periods of dormancy)가 있다. 發育段階들의 순서는 식물내에서는 효소에 의해서 컨트롤되고, 光周期 현상(photoperiodism), 수분 스트레스의 구제(relief of water stress) 그리고 온도 저하(temperature drop)에 의해 자극된다. 

Figure 3에 묘사된 開花後 日數(days-after-flowering – DAF) 스케일에서 [43], 성장하는 열매의 조직들은 果皮(pericarp), 外胚乳(perisperm), 그리고 胚乳(endosperm) 모두에서 부피 랭킹의 큰 변화들을 보인다. 시작하는 果皮에 포함된 外胚乳가 果皮 덩이와 같아지도록 擴張한다; 그런 다음 그것은 발달하는 胚乳에 의해 흡수되고, 이 胚乳는 그 열매 내의 모든 貯藏 化合物들을 위한 최종 조직이 된다.  

 

다음 세대로의 繁植(Propagation)은 농부가 가진 나무들에서 나온 종자들을 직접 밭에 播種하여 시작하거나, 혹은 종자들로부터의 묘묙들(seedlings)이나 또는 묘목장(nursery)에서 배포되는 植栽를 위한 비닐 백들에 들어 있는 꺾꽂이용 자른 가지들 (cuttings)로 시작한다. 裸出 種子(naked seed)에서 첫 잎까지 흙에서의 發育時間은 기껏해야 1-2 개월이다. 세번째 방법인 生體外 繁植(propagation in vitro)은 연구 목적을 위해 사용된다: 적절한 기질 내에서 한 나무로부터 나온 조직 파편의 培養이 그것이 나온 나무와 유전적으로 동일한 새로운 나무를 낳는다 [44]. 

 

 

 Species and Classification

 

커피 분류의 최초 시도는 1623년인데, 이때 Bauhin이[45] 그의 Pinax theatri botanici(영어 ‘Illustrated exposition of plants’)에서 Coffea를 언급했고 그것을 Evonymus(화살나무, 사철나무)와 관련하여 설정했다.  

한 세기 후에, 포괄적인 기술적 체계화가 Linné에 의해 제안되었다; 린네는 처음부터 genus Coffea를 포함하여 쉽게 파악가능한 floral structure의 특징들로 식물 부류들을 설정했고 [46, 47], 1735년과 1737년에 출간하였다. Coffea arabica로의 그 종에 대한 최종적인 명명은 1753년 그의 ‘Species Plantarum’에 제시되었다. 이 연구는 식물에서의 직접적인 관찰들과  식물표본첩(herbaria) [49, 50], 그리고 동료들과의 논의와 교환들에 기초하였다. 그는 1713/1715 the Royal Academy in Paris를 위해 커피에 대한  Jussieu의 묘사를 인용하였다 [14]. 

Figure 4는 종이 위에 눌러지고, 건조되고 고정된 Linné의 오리지날 개인 식물표본첩의 커피를 보여준다 (No 2490 of the Linnaean Herbarium at the Linnean society London, Salvage No. 232.1; ‘india’라는 표시는 아마 그 種의 원산지를 가리키는 것일 것임; 1784년에 Linné’s widow으로부터 구입된 콜렉션). 

C. arabica L.에 대한 공식적인 언급은 Linné가 1737년에 설명했던 [49, 50] Clifford’s herbarium에서 나온 기준 표본 (type specimen)이다 [51]. 그것은 the International Botanical Code (the Vienna Code of 200553)의 기초 위에 한 선정기준표본(lectotype)으로 지정되어져 있다.

 

‘Lectotype’이란 최초의 발표자가 그 種을 그것에 대한 참조(reference) 이전에 설명했었음을 의미하며, 이는 이 기준 종(reference specimen)이 나중에 왔어야 한다는 것을 명시적으로 디자인하는 것이 요건이다. Linné의 유형화는 2007년의 기념도서를 위한 제목 ‘Order out of Chaos’으로 분명히 보여지듯이 그 당시 식물학에서 하나의 벤치마크가 되었다 [54]. 비록 그의 분류가 곧 뒤집어 지기는 했지만 [55], 네이밍의 이항식 원칙은 남아있다 – 첫 부분은 식물 종을 가리키고; 두번째는 최초 저자에 의해 주어진 칭호(epithet)이며, 이 저자가 인덱스된다. 커피 종들의 전체 속(genus)은 Coffea L.이며, Linnaeus에 의해 명명된 것으로 인덱스되어져 있다. 음료 마련에 사용되는 주요한 상업적 종들은 C. arabica L., 그리고 보통 var. Robusta로 불리는 C. canephora Pierre ex A. Froehner이다[25]. 

Coffea liberica Bull ex Hiern과 약간의 여타 種들은 오늘날 훨씬 덜 중요하다; 재배되는 變種들(cultivars, 栽培品種)을 포함하여 많은 變種들(varieties)이 있다. 

 

 

커피의 식물학적 분류는 고도의 합의에 도달해 왔고, 국제 컨퍼런스들에서 발표되고 [56, 57] the World Checklist of Rubiaceae에서 계속 발표되고 있다 [58] – 커피는 Jussieu 1789 이후로 이 패밀리에서 자리잡고 있다 [55]. 

Coffea의 4가지 亞屬(subgenera)을 가진 Chevalier의 체계[59]가 지난 세기의 수십년 동안 대중적이었다. 그러나, 다른 풀들(pools)의 커피 기원의 더 많은 분류군들이 설명되고 분류되어 그것은 한 물 간 것이 되었다(obsolete) [60-62].  

the Botanical Code의 면에서는, Rubiaceae와의 family rank로 시작하는 커피의 분류 혈통(classification lineage)은 Ixoriadeae 亞屬(subfamily), Coffeae DC 族(tribe)을[63, 64] 거쳐 Coffea L.屬(genus)으로 내려간다. 모든 음료용 커피들을 포함하여 그 屬의 약 100 가지의 인정된 種들(species)이 Coffea 亞種(subgenus)에 속한다 ; Baracoffea 亞種은 약 10개의 種들을 가지고 있다 [42]. 그것이 실상이다. 그럼에도 불구하고 추급적인 개선들(refinements)이 있다 [65]. 

 

 

 Modern Classifications

 

Linné의 時代 이래로, 분류화에서의 변화는 특성들에 대한 분석의 변화 그리고 가측치들, 分子 系統學(phylogenetics)에 대한 形態學的 특징들의 변화와 함께 왔다. 관련된 것은 “조물주의 마음 속 계획으로 생각되던 것에서부터…마침내 생명 트리에 대한 系統發生學的 맵핑까지”라는 분류 생물학의 철학에서의 변화이다 [66]. 최근에, ‘phylocode(계통발생코드)’가 제안되어, the Botanical Code’s system을 적어도 부분적으로는 分岐群들(taxa)과 그들의 계층(hierarchy)으로 대체하고자 하고 있다 [67]. 그 논의들이 진행중에 있다.  

현대의 분석적 화학 측정들이 이제는 계통발생 트리들에서 變種들을 분류하기 위해 카페인이나 클로로제닉산류 같은 2차 식물 대사산물 레벨들의 계량화학적 비교와 함께 활용될 수 있다. 分子의 遺傳的 差異에 관한 스터디들이 덴드로그램으로 제시되고 커피들의 遺傳的 群集들을 나타내어 커피 系統分類群(clades)의 生物地理學的 그루핑에 비교될 수 있게 해주어, 種들의 관계를 파악하는데 도움을 준다. Figure 5에 나와 있는 바와 같이, 地理的 또는 生態的 一貫性(coherence)을 가진 몇몇 혈통들(lineages)이 이제 인식되고 있다 [68]. 

系統發生學的 어푸로치가 分類化의 원칙들을, 기존 식물들의 形態學的 類似性으로부터, 遺傳的 系統分類群(clades)으로   分岐群들(taxa)이 그 조상까지 역추적 되는 遺傳的 進化의 차원으로 확대해준다.  

이런 도구들로, C. arabica의 遺傳的 紀元이 강하게 지지된 가설로 탐구될 수 있었다 : Arabica는 모체로서 C. eugenioides에 가까운 한 種과 그리고 아버지 조상으로서 the canephoroid group에 가까운 種, 이 두가지 二倍體 조상들(diploid progenitors)의 種間 交配에 의해 형성된 것으로 보인다. 이는 제4기(the Quaternary period) 말에 East–Central Africa에서 발생했을 것이다 [69].  몇몇 메커니즘들이 논의 되었다 – 그 새로운 種이 4倍數性(tetraploid)으로부터 점진적인 倍數體化 (progressive diploidization)를 거쳐 복이배체(amphidiploid)로 어떻게 움직였는지의 문제. Ethiopia의 열대 산악기후에의 적응으로, 낮지만 계속된 자연의 선택이 발생해왔을 수도 있다 [70].  

 

 

대조적으로, 커피의 canephora 分派에서 발견된 높은 遺傳的 多樣性이 약 50만년 전 정도로 그 기원들의 더 오랜 연대결정을 부추긴다 [71]. 아프리카 대륙의 약 40種으로 하는 自然産 C. canephora 다양성 그룹들의 군집화가 그 열대지역에서의 기후 차이들과의 연결을 지지한다.  

마지막 最大 氷河期(the last glacial maximum)에, 매우 건조한 18,000년 전, 환경은 어렵게 되었고 소수의 숲 레퓨지아(forest refugia = 빙하기와 같은 대륙 전체의 기후 변화기에 비교적 기후 변화가 적어 다른 곳에서는 멸종된 것이 살아 있는 지역)만 남았다 [72].  거기에서, 전파된 하위그룹들의 分化가 발생했을 수 있었는데[73], 강들을 따른 種들의 드문 移住들[74]과 그리고 惡條件들로 인한 중간의 살지 않는 틈새들이 있었을 수 있다. 동부 아프리카 그룹으로부터, Madagascar와 이웃 섬들로의 分散이 발생했을 수도 있다. 그들은 대륙의 種들과 구별되는 genus Coffea의 50가지가 넘는 種들을 보여주고 있다: Africa, Madagascar, 그리고 the Mascarenes 간에 공유되는 자연적으로 발생한 種들은 없다 [42]. 

역사에서 그리 멀지 않아 Bourbon Pointu from Réunion, C. arabica ‘Laurina’의 기원에 관한 의문이 나타났다 – 그것은 Yemen으로부터 도입된 돌연변이인가 아니면, 이 Arabica와 그 섬의 토종 Café marron 간의 交配의 結果인가? 역사적 연구와 현대적 분석 연구의 조합으로 보아 그것은 Réunion에 導入된 Yemenite Arabica의 매우 젊은 變種(mutant)라는 것을 밝혔다 [75]. 

유전자 시대가 커피 종자의 발육에 대한 이해를 더 쉽게 해준다. 현재의 지식을 사용하여 커피의 주요한 씨앗 보관 화합물들의 代射 徑路들이 해명되었다 [76]. 

 

 

 

커피란, 커피인들에 의해 국제적으로 합의된 바에 따르면, ISO 용어집에서는 “fruits and seeds of plants of the genus Coffea, usually of the cultivated species, and the products from these fruits and seeds, in different stages of processing and use intended for human consumption – Coffea 속의, 보통 재배되는 종들의 식물의 열매와 종자들, 그리고 인간의 소비를 의도한 프로세싱과 활용의 여러 단계들에 있는 이 과일들과 종자들에서 나온 제품들” (subclause  1.1.  of the  ISO 3509  coffee vocabulary) [77]을 의미하며, the International Coffee Agreement의 표현에서는 “beans and cherries of the coffee tree, whether  parchment, green or roasted, and includes  ground, decaffeinated, liquid  and soluble  coffee (커피 나무의 콩들과 체리들이며, 파취먼트, 생두 또는 배전두, 그리고 분쇄 커피, 디카페인 커피, 액상 커피 및 가용성 커피를 포함” (Article 2 of the said Agreement)[78]한다고 나와 있다.두 정의 모두 성숙에서부터 소비까지의 일련의 단계들의 차원에서 ‘커피’를 기술하고 있다. 

커피의 조성은 種마다 그리고 그 라인의 단계마다 다르다. Table 2가 분석 데이터의 개요를 제시하고 있다. 이 데이터는 문헌 리뷰들[80]과 성분 그룹의 요소들이 개별적으로 결정되고 요약된 다른 분석 배경들에서 시행된 연구들로부터 나온 평균들이다 [70].  

커피 열매의 성장과 숙과의 발달 단계들 동안의 별도 요소들의 콩내 위치가 組織 染色에 의해 서포트되는 電子顯微鏡으로 관찰되어져 왔다. 1977년 부터 Association for the science and information on coffee (ASIC)의 컨퍼런스들에서 제시된 연속적인 논문들이 아주 인상적인 발견들을 보여주었다 [83] : 성분들은 그들의 세포 환경과 관찰된 이동들에서 구분되어져 왔다.   

현대적 도구들의 활용을 통해 도달된 주요 커피 보관 化合物들의 핵심 生合成 徑路들에 대한 한 統合的 觀点이 최근에 발표되었다 [76]. 이는 여기서 더 자세하게 언급되지 않을 것이므로 독자들은 나무 생화학을 위해 이 논문을 참조할 수 있을 것이다. 

다음 섹션들은 커피의 주요 성분들인 카페인, 탄수화물, 클로로겐산, 지질, 기타 질소함유 화합물, 휘발성 화합물, 그리고 멜라노이딘류를 다루며, 그 변환 과정들도 포함한다. 

 

 

 Nitrogenous Compounds I : Caffeine

 

여기서 다뤄지는 첫번째 화합물은 카페인이며, 이는 우리의 주제 커피에 이름으로도 연관되어 있다. 카페인은 커피 화학, 로스팅에서 중심적인 프로세스에 의해 영향 받지 않는 窒素 含有 化合物이다. 

 

Caffeine 즉 1,3,7-trimethyl-xanthine은 a purine alkaloid인데, 커피 나무의 2次 代謝産物(secondary metabolite)이다 : 그 生合成은 xanthosinemonophosphate로부터 시작한다 [84]. 그 代射徑路에서, 후속의 메틸화 단계들 (methylation steps)이 여러 N-methyl transferases로 발생하며 methionine이 메틸기 供與體(methyl donor)가 된다 [85].  

커피 나무에서 카페인은 땅 위에 있는 모든 부위들에 존재한다. 초식동물(herbivory), 연체동물(molluscs), 곤충 (insects), 균류(fungi), 또는 박테리아(bacteria)에 대한 내재적인 化學的 防禦로서의 카페인의 生態的 效果는 종종 논의되어 왔지만 [86], 명확한 지지를 위한 실험결과들은 구하기 어렵다 [87].  

카페인 生合成은 잎, 果皮, 열매의 바깥 부위에서 발생한다. 성장한 잎들에서 카페인 함량은 더 낮다 [88]. 과피 조직에서는, 빛이 카페인 합성의 메틸化 段階를 강하게 자극한다. 열매 내부의 씨앗이 성장하기 시작할 때, 카페인은 細胞膜들을 통과하여 轉位되고, 胚乳에 蓄積된다. 거기서 최종 값은 開花 後 8個月에 도달한다 [89]. 

 

커피 콩의 카페인 함량은 種과 變種에 따라 다른데, Laurina의 경우 0.6%에서부터 일부 심한 Robustas에서는 4%까지 이른다 ; 평균이 Table 3에 나와 있다 [90]. 

 

여기에는 ‘음료’ 커피에 속하지 않는 Madagascar의 Mascaracoffea 그룹에서 나오는 커피들은 포함되지 않았다. 그것들은 분석 검출 한계에서 매우 낮은 카페인 함량을 가지고 있으며 (caffeine free)[92], 추가적인 연구를 위한 유전 자원들로서 가치가 있다. 이들 저 카페인 종은 또한 그들의 잎에서의 낮은 카페인 함량도 보인다 [93].  

무수물 기준에서의 카페인 함량은 수확후 처리에 의해서나 로스팅에 의해서나 영향 받지 않는다. 비록 로스팅 과정이 승화(sublimation) 온도 이상에서도 잘 일어나지만, 그 동안에 사라지는 카페인은 적은 비율이며, 이는 유기물 중량 손실에 의해서 상쇄된다 [91].  

카페인은 생리적으로 활성적인 화합물이며, 커피 한잔 후의 인간의 노출이 관심사이다. 어떤 일반적인 계산들이 이뤄질 수 있다 : 보통의 블루잉 조건들에서의 물에 의한 추출은 카페인을 거의 모두 그 음료로 완전히 옮긴다. 세계 교역의 60%가 Arabica이며, Table 2의 평균 카페인 함량을 가지고 계산해보면, 분쇄커피 55 g l^-1를 추출한 100ml 한 컵은 약 100 mg의 카페인을 공급한다.   

 

Table 4는 평균들을 보면, 극단적인 경우와 특별한 것들을 빼고는 대략 변동성을 나타내고 있다 (커피 선택에 따른 그리고 블루잉 강도에 따른 변동성) – plus/minus 100%의 범위 [94, 95]. 

그러나 ‘cup’ 또는 ‘serving’이라는 용어조차도 차이가 많다 : ‘mug’는 광범한데, 약 250 ml의 부피를 가지며, 시중의 ‘jumbos’는 약 500 ml이다. 

비교를 위해, tea 한 잔은 약간 더 낮은 카페인 함량을 가진다 : 1.75 g 짜리 teabag으로 마련된 차는 평균 카페인 함량이 3%인데, 100 ml 한 잔에 카페인이 50 mg이 함유되어, 커피의 경우와 비슷한 자연스러운 변동성이 있다. 

유럽 규제에서는 비-커피 및 비-차 드링크들에서의 예기치 않은 카페인의 경우에, 150 mg l^-1을 초과하는 량에서는 특별한 표시를 하도록 요구한다(카페인 량의 표시와 함께 ‘high caffeine content’) [96]. 

 

Table 4의 데이터는 표준적인 음료 마련을 나타낸다 – 다른 것들도 있다. 에스프레소-스타일 퍼콜레이션에서는, 30 ml 한 잔에 분쇄커피 6.5g이 들어갔다; 위에서 언급된 average blend로는, 약 87 mg의 카페인이 기대될 수 있다. 세포 구조로부터 카페인을 추출하는데 사용될 수 있는 가능한 시간이 매우 짧아 겨우 75–85%의 추출 수율만을 초래한다 [97]. 

While enjoying his coffee, the consumer may benefit from the stimulating effect of caffeine. 
소비자는 커피를 즐기는 동안 카페인의 자극 효과를 즐길 수 있을 것이다. 그 각성효과는 잘 알려져 있고 그 메커니즘도 연구되어져 있다 [98, 99]. 

카페인 소비 후에, 카페인은 위장관(gastrointestinal tract)에서 쉽게 완전히 흡수된다. 1시간 내에, 그것은 온몸에 고르게 퍼지고, 혈뇌장벽(blood–brain barrier)을 쉽게 통과한다. 최대 혈장 레벨(Peak plasma levels)은 섭취 후 30-60 분에 발생한다. 

 

앞서-계산된 농도의 레귤러 커피 한잔으로 유발되어, 단 약 1–4 mg l^-1  body fluid의 자극 레벨의 범위에서만 2 mg l^-1 body fluid의 카페인 레벨이 도달된다 (total  body fluid taken as 60% of a 70-kg man) [100]. 이러한 혈액 농도들에서, 중추신경계의 주요 작용 메커니즘 작용이 아데노신 수용체들(adenosine receptors)의 길항(antagonism)인데, 이는 경각심과 인지적 컨트롤에 대한 효과와 함께 중추 신경계 활동을 증가시킨다. 

 

순환하는 동안, 카페인은 간에서 연속적인 탈메틸화(demethylation)와 산화적 분해(oxidative degradation)를 경유하여 요산(uric acid)으로 대사된다. 그 분해 산물들은 신장(kidneys)을 통해 배설된다. 카페인의 약 5%가 변하지 않은 채로 배설된다. 카페인의 반감기는 건강한 남성 성인들의 경우에 2.5에서 4.5 시간 정도이다. 아동, 여성, 임산부, 그리고 스트레스 하의 사람들의 경우에는 그 시간이 더 길다고 보고되었다.  

커피의 카페인 함량은 디카페인화에 의해 줄어들 수 있다. 그 프로세스는 생두의 조직을 연하게 하는 스팀 처리로 시작하여 솔벤트 추출이 이어진다. 최초의 특허는 1905년으로 거슬러 올라간다 [101]. 오늘날 프로세스들은 디클로로메탄(dichloromethane), 초산에틸(ethyl acetate), 초임계 또는 액상 이산화탄소 (supercritical or fluid carbon  dioxide), 또는 물로 이뤄진다 [102]. 미국에서는 디카페인화되지 않은 커피를 ‘regular’ 커피라고 한다.   

카페인 함량에 대한 법적 요건들은 소비를 위한 최종 제품, 즉 배전된 솔루블 커피들을 위한 디카페인 커피에 적용된다. 미국에서 ‘decaf coffee’는 디카페인화 정도를 통해 정의된다 ; 보통이 97%이다 [103]. 유럽 법규는 최대 잔여 카페인 함량을 솔루블 커피의 경우 0.3%로 정하고 있다 [104]. 로스트 커피는 국가 법규에 의해 커버되는데, 일반적으로 무수물에서 0.1%이다.  

카페인 결정을 위한 표준적인 분석방법들은 크로마토그래픽 분리 및 스펙트로메트릭 검출을 사용한다 [105]. 

순수한 화합물질로서 카페인이 깔끔한 쓴맛을 가지고 있지만(기본 센서리 테스트에서 ‘bitter’ 표준으로 사용될 수 있음), 그것은 커피 음료에 쓴 맛을 부여하는데 있어 단지 주요하지 않은 역할만 한다. 

 Processes and Reactions

 

 Postharvest processing: dry and wet methods

 

체리 같은 과실의 펄프 속에 들어 있는 익은 커피 콩들은 컵에의 바람직하지 못한 ‘off-flavors’를 유발하는 축축한 粘液質에서의 통제되지 못하는 醱酵를 피하기 위해 수확 후에 바로 절개되어야(dissected) 할 필요가 있다.

 

체리들은 dry method (patios에서의 3-9일 동안의 태양 건조, 마른 외부 부위들의 기계적 제거, ‘natural coffee’를 생산)에 의해서 또는 wet method (펄핑, 18-36 시간 동안의 컨트롤되는 점액질의 발효, 그 다음에 잔여물의 헹굼과 건조, ‘washed coffee’를 생산)에 의해서 프로세스 될 수 있다 [106].  

그 프로세스들 동안 콩들 속에서 발생하는 代射는 그 시간대마다 다르며[107, 108], 아로마 전구물질의 조성에서의 차이가 나올 수 있다 [82]. 이는 드라이 처리된 콩들과 웨트 처리된 콩들에서 나온 커피들에서 관찰된 센서리 차이를 잘 설명해 줄 수 있다 [109]. 

 

 Roasting

 

커피 콩의 로스팅은 필수적인 변환이며 약 200℃에서 이뤄진다 [110]. 커피 콩들은 말라지고(dry), 부피가 확장되며, 갈색으로 변하고 부서지게 쉽게 되며(brittle), 그리고 특징적인 플레이버와 아로마 프로필을 발현한다. 

로스팅 동안에, 휘발성의 아로마 화합물들과 중합체성 갈색 색소들이 콩에서 형성되며, 물과 이산화탄소가 발산된다. 생두의 주요 열반응적 성분들은 단당류와 수쿠로오스, 유리 아미노산, 클로로겐산류, 트리고넬린, 그리고 분해된 탄수화물들과 변성된 단백질들(denaturated proteins)의 새롭게 형성된 전구물질들이다. 그 화학 반응들은 복잡하다. 

일반적인 것은 아미노산들 및 단백질들과 환원당들과의 Maillard reaction인데, 이는 최근에 보인 바와 같이, 응축 (condensations), 분열 (cleavages), 전위 (rearrangements), 그리고 분해 (degradations) 및 산화적 중합 (oxidative polymerization)과 같은 동시에 발생하기도 하는 엄청난 반응들이다 [111].  

 

 Extraction for beverage preparation

 

커피의 홈 블루잉과 산업적 규모에서의 솔루블(또는 인스턴트) 커피의 생산, 두 가지 모두 배전된 분쇄커피로부터 가용성분들(solubles)의 물 추출 과정을 포함한다 [36].

홈 블루잉은 커피의 보일링, 또는 퍼콜레이틴, 또는 블루잉과 디캔팅, 또는 필터링(보통의 방법) 또는 특수 기구에서의 1일분 압력 추출과 같은 다양한 추출 테크닉들을 가지고 부분적으로 선택적인 성분 추출로 이뤄질 수 있다. 그 결과로 나오는 산물이 마실 수 있는 음료이다.  인스턴트 커피 생산에서, 추출은 더 고온에서 이뤄진다; 그 다음에 그 추출물의 농축과 건조가 이뤄진다. 그 단계들은 우려낸 커피의 센서리 품질을 충족하기에 기술적으로 최적화되어진다 [112]. 얻어지는 산물은 필요시 음료로 다시 만들어질 수 있는 건조된 파우더이다. 

최종적으로 소비되는 산물의 조성에 대한 영향이 각 섹션에 요약되어져 나온다. 

Yemen의 건조된 커피 허스크들의 인퓨전(qishr)이나 동남 아시아의 커피 잎들의 인퓨전과 같이 다른 민족적 스타일들은 여기서 다뤄지지 않으며, 여전히 존재할 수도 있는 씹어 먹는 용도(masticatory use (chewing))도 다뤄지지 않는다.   

 

 

 Carbohydrates

 

탄수화물(Carbohydrates)은 植物 內 光合成의 産物들이다. 커피 열매 발육 동안에, 炭水化物은 잎과 果皮 모두에서 還元糖들(포도당, 과당)과 수크로스로서 만들어진다. 外胚乳와 胚乳로 이들의 각 成長 段階들에서 이동되어[113], 커피 씨앗에서의 수크로스 蓄積에 기여한다. Robusta는 Arabica 보다 약 30% 더 적은 sucrose를 축적한다 [114]. 

단연코, 분자 사이즈들이 다른 多糖類(polysaccharides)가 커피 생두 탄수화물의 가장 큰 부분을 형성한다.  Galactomannan과 arabinogalactan protein 같은 이름들은 구성 단위들[115], ‘backbone’ chains 그리고 치환 가지들을 나타낸다; Table 5에 개관이 나와 있다.   

최근에, 그 성분들(moieties)에 대한 연결 분석이 커피 생두의 arabinogalactan 플랙션의 glycoprotein backbone을 밝혀냈고, 지금은 arabinogalactan protein이라고 불린다 [116]. 그 중심의 체인은 단백질들로 구성되는데, 이는 그 폴리머의 0.5~2%를 차지한다; 그들은 7%와 12% 사이의 하이드록시프롤린(hydroxyproline)을 함유하고 있다 [117]. 

 

 

일반적으로 식물 조직들에서의 arabinogalactan proteins에 대해, 한 구조가 제안되었다 [118]. 이들 구조의 요소들 내의 탄수화물들의 분석적 결정은 화학적 반응과 효소적 반응들로 서로 다른 플랙션들을 분리하고 유리해내는 것으로 시작한다 [119]. 2006년 Table 6의 상세한 분석 데이터가 이 절차에 의해 얻어진 것들이다 ; 그것들은 1987년의 Table 5의 데이터들을 확인해주고 더 개선해주고 있다. 

 

 

로스팅은 多糖類의 分解/脫重合을 촉진하며 [120], 糖 조성을 상당히 변환한다. 그 결과로 생기는 올리고당 및 단당류는 추출 동안에 가용화 될 수 있고, 특징적인 탄수화물 프로필을 낳는다. 

로스팅 후에, 고온 추출에서의 mannans의 추출가능성이 향상되는데, 이는 인스턴트 커피 생산에서 중요하다 ; 최대 추출 수율은 medium 로스트로 달성된다 [121]. 

炭水化物은 플레이버 生成의 前驅物質들이다. 그들은 잘 연구되어진 Maillard reaction에서 蛋白質性 成分들과 반응한다. 그 프로세스는 휘발성 아로마 화합물들 [12]이나, 비휘발성 테이스트 화합물들 [123], 그리고 동시에 이질적인 부류의 다크 브라운 폴리머들인 다양한 범위의 분자량들을 가진 멜라노이딘류 [124]와 같은 커피 플레이버에 대한 필수적인 공헌자들을 생성한다.  

더 짙은 로스팅에서는, 열분해 (pyrolytic degradations)가 일어난다. 

탄수화물은 로스트 커피와 솔루블 커피 모두의 주요 성분들이다. 배전된 분쇄커피로 마련된 홈 블루에서, 탄수화물은 낮은 량으로 존재한다. 

개별 탄수화물들에 대한 분석은 high performance anion exchange chromatography (HPAEC)로 국제적으로 인정된 스탠다드로 제시되며 [125], 유리 탄수화물들의 프로필들과 total 탄수화물들의 프로파일(전체 탄수화물 조성)을 제공한다. 

모든 프로세싱 단계들의 시작점과 종료점으로서 생두와 인스턴트 커피 각각이 나란히 Table 6에 나오는데, medium 로스트로부터 나온 솔루블 커피의 free carbohydrate 및 total carbohydrate가 Arabica와 Robusta 커피 생두의 수치들과 비교되어 제시되어 있다. 

 

커피 생두의 sucrose는 로스팅과 함께 전적으로 사라지며, 소량의 單糖類와 二糖類가 로스팅과 추출에 의해 발산된다. Total carbohydrates의 상당한 부분이 솔루블로 변환된다. 

다른 탐구들은 식물 발육 동안에 mannose/galactose ratio가 변한다는 것을 보여준다 [126].  탄수화물 조성에 관한 몇몇 스터디들은 여기서 인용된 것과 다른 비율들을 제시한다.  

영양 평가에 가용 탄수화물과 당류가 요구될 때에도 앞서 언급된 표준적인 방법이 사용되는데 – 관련 유럽 법규[127]는 “인체에서 대사되는 모든 탄수화물”과 “식품 내에 존재하는 모든 單糖類와 二糖類”라고 하고 있다.  ISO 방법을 사용하여, 탄수화물은 개별적으로 그리고 합쳐서 결정될 수 있다  – 그 결과로 나오는 칼로리 량은 인스턴트 커피의 경우에[128] 각각 한 잔당 36 kCal/100 g과 0.7 kCal/100 g로 무시할 정도이다; 로스트 커피 음료의 경우에는 아마 훨씬 더 적을 것이다. 

탄수화물 영양 평가를 위한 ‘전통적인’ 절차는 다른 모든 성분들(물, 지방, ash, 단백질)을 합산하고 100%와의 차이를 탄수화물로 정하는데, 이는 커피의 경우에는 적합하지 않다. 

솔루블 커피의 구체적인 탄수화물 프로파일을 위한 절차는 추출을 위해 외생적 재료가 사용되었는지 아닌지 여부를 가리킬 수 있고, 솔루블 커피의 순수성에 대한 기준으로 기능할 수 있을 것이다 [129]. 

 

 

 Chlorogenic Acids

 

클로로겐산류는 널리 분포하는 식물의 2차 대사 산물이며, 이들은 커피 콩에도 비교적 대량으로 존재한다. 

그 母 구조는

┌ tetrahydroxy-cyclohexane carboxylic acid (quinic acid)과

└ caffeic acid (3,4-dihydroxy cinnamic acid)의 켤레(공액, conjugate)이다.

씨클로헥산 부분(cylohexane part)에서의 isomers와 epimers 그리고 aromatic ring에서의 치환들(substitutions) 때문에, 일족의 클로로겐산류가 존재한다. 

 

가장 보편적인 클로로겐산은 5-O-caffeoyl-quinic acid (5-CQA)이다; 그 화학식들은 caffeic acid 성분에서의 실제 넘버링을 보여준다 [13]. 

• Quinic acid 부분에서의 isomers는 3-CQA와 4-CQA이며, 각각 5-CQA의 약 10% 정도의 양이다. 
• 클로로겐산 패밀리에서 널리 퍼진 것은 aromatic ring에서의 치환들인데,
  feruloyl quinic acid (FQA, 4-hydroxy, 3-methoxy-) 와
  p-coumaroylquinic acid (pCoQA, 4-hydroxy-)와 같은 일반적 동의어들로 각 cinnamic moiety의 이름을 붙여준다. 
• 그것들의 농도는 (caffeic) CQA의 경우보다 몇 배 더 낮고, 그리고 3- and 4-isomers는 각 5-O-isomer의 10%를 나타낸다.
• 몇몇의 quinic acid의 isomeric di-esters가 존재하며 (e.g. di-caffeoylquinic acid, diCQA), 그리고 
  caffeoylferuloylquinic acid (CFQA) 같은 even ester가 섞인다.
• Table 7은 Arabica와 Robusta 생두의 이 클로로겐산류의 전형적인 함량을 보여주며, 이 수치는 Clifford [131]에서 나온 것이다. 분석적 결정을 위해서는 HPLC가 최선의 방법이다. 

 

 

Chlorogenic acid는 콩의 外胚乳(perisperm)에서 生合成되고 內胚乳(endosperm)에 蓄積된다 [76]; 콩 熟果의 마지막 단계 동안에 di-CQAs가 mono-CQAs로 전환된다. 후자는 수확 관리에 중요한데, di-CQAs는 커피의 센서리 품질에 부정적으로 영향을 미치고, 균일하지 않은 숙과 및 동시 수확의 경우에는 未熟豆들이 수확물에 포함될 수 있기 때문이다. 

로스팅은 커피 내 클로로겐산류의 량을 점차 감소시키며, 커피에 독특할 수 있는 일련의 변환 산물들을 만들어낸다 [133]. CQA의 quinic 부분에서는 락톤화(lactonisation)가 일어난다; 그 chlorogenic lactones (quinides)는 뚜렷한 쓴맛(marked bitterness)을 보이며 가능한 생리적 효과를 보인다 [134]. 

그 isomers 내에서, 1,5 quinides가 가장 보편적이다. 그 일반 구조가 나타나 있다.

 

 

커피 생두의 CQA의 큰 부분이 Maillard-type 반응들을 거쳐 더 복잡한 거대분자들, 예를 들어 melanoidins로 사라지며 [135], 그리고 부분적으로 quinic acid와 caffeic acid로 분해되어 quinides를 형성하고 melanoidins에 포함될 수 있다. 다른 변환이 탈카르복실화(decarboxylation)와 커피의 강하게 쓴 성분인 phenylindanes으로의 결정화(cyclisation)를 초래한다 [131, 149].  

 

가정내 블루잉과 상업적 인스턴트화는 melanoidins로부터 CQAs를 상당히 추출하고 lactones를 가수분해한다 [131]. 그 brew 내의 CQA 함량은 3% DW이고, 인스턴트 커피에서는 약 5-7%이다 [138]. 

사람의 소화에서, CQA가 생물학적으로 이용가능하다; 그것은 소화관의 미생물총과 반응하며, 1시간에서 4시간 내에 혈장(plasma)에 도달한다 [136]. 그 대사는 연구 중에 있다.  

식물성 페놀화합물들(phenolics)이 광범한 생리적 활성을 가지며 항산화물질로서 높은 잠재력을 가지는 것으로 보고된다. 클로로겐산이 있는 커피는 가장 풍부한 식이 원천들 중 하나이다; 많은 연구들이 심혈관계 질환 (cardiovascular disease),  암, 그리고 제2형 당뇨병(diabetes II)과 같은 퇴행성 질환(degenerative diseases)에 대한 예방 효과를 해명하기 위해서  클로로겐산의 운명과 효과를 다루고 있다: 수년간에 걸친 정규 리뷰들[137]이 축적하는 커피 소비의 긍정적 건강효과에 대한 역학적 증거와 서포트를 밝히고 있다.  

 Nitrogenous Compounds II - Amino acids and proteins

 

본 섹션은 로스팅과 추출의 과정 동안에 변환되는 커피의 질소함유 화합물들을 다룬다. 식품의 고전적인 질소함유 화합물들인 단백질은 생두의 약 12%를 차지하며, peptides와 free amino acids은 1.5%, alkaloids는 3-4%, 그리고 trigonelline은 약 1%를 차지한다. 이들 화합물들의 개부분은 로스팅에서 변환된다. 

‘로스트-안정적인(roast-stable)’ 카페인은 질소함유 화합물의 첫 섹션에서 다뤄졌다.  

커피 생두의 유리 아미노산(free amino acid) 함량은 Robusta의 methionine이 0.001%에서부터 Arabica의 glutamic acid 0.1%까지 굉장히 넓은 범위를 보인다. 유리 아미노산의 반 정도는, Arabica와 Robusta 생두에서 유의하게 다르다. 

아미노산류는 peptides와 proteins의 성분들이다; 그들의 개별적인 공헌은 적절한 분석적 가수분해 후에 ‘total amino acids’로서 분석될 수 있다 [135]. Total amino acids의 합은 대략 protein 함량에 달한다. 

Protein 함량은 식품의 영양 표시에 필요하다 [127]. 하지만 사실 이는 선택적인 것이다. 

Total nitrogen 함량에 6.25라는 법칙적 실증 배수로 protein content로 전환하는 것에 의한 전통적인 식품내 단백질 결정 (the Kjeldahl nitrogen method)은 몇 가지 수정이 도입되지 않으면 커피의 올바른 단백질 값을 제공하지 못한다 – 카페인과 트리고넬린의 질소, 다른 비단백질 질소, 그리고 로스트 커피의 경우에 소비자의 음료에 도달하지 않는 성분들 때문이다. 

Table 8은 2개의 박사학위 논문들에서 가져온 Arabica와 Robusta 커피 생두의 free amino acid와 total amino acid 결정 결과이다; Arabica 배전 추출물의 데이터가 totals가 더해진다. Trautwein은 원산지가 다른 샘플들을 사용했다; 큰 차이가 각 데이터세트에서 발견되었는데[139], 전체 평균에서는 분명하지 않았다. Table 8에 따르면, total amino acids에서, Arabica와 Robusta의 결과들이 광범하게 겹쳐지고 있다.   

 

 

생두의 free amino acids는 로스팅 동안 크게 변환된다. 그것들은 Maillard reaction에 참여하여 커피 추출액의 플레이버와 색에 공헌하는 성분들을 초래한다. 배전 커피에서는 무시할 정도의 량만 남는다 [140]. 

– 대개 proteins에 결합되어 있는 생두의 sulfur amino acids, cystine, cysteine, 그리고 methionine은 
   ⇒ 로스팅에서 분해하고, 환원당들과 Maillard 중간물질들과 상호작용하여
   ⇒ 강렬하게 아로마틱한 휘발성 물질들을 형성하는데,
   ⇒ 예를 들어 매우 낮은 아로마 식역치를 가진 아로마 영향 화합물인 furfurylthiol, 그리고
                      thiophenes 및 thiazoles 등을 만든다. 
– Hydroxyl-amino acids serine과 threonine은 sucrose와 반응하여
   ⇒  휘발성 헤테로고리 화합물들을 발생시키는데, 그 중에서도 alkylpyrazines를 생성한다. 
– Proline과 hydroxyproline은 Maillard 중간물질들과 반응하여 
   ⇒ pyrroles, pyrrolizines, 그리고 pyridines와 그리고 또 alkyl pyrroles, acylpyrroles, and furfurylpyrroles를 만든다. 
– Tryptophan은  ⇒ 곡물 발육의 최종 주간들 동안에 serotonine으로 변환된다. 

생두의 protein 함량은 약 10-13%이다. 커피의 protein 프로파일은 로스팅 동안에 변화한다; Proteins는 분열되기도 하고 중합되기도 하며, 그리고 melanoidins에 통합된다. 커피 추출액 내의 그 농도는 결국 약 6-7% 정도인데, 이는 영양 값 계산들에 관련된 숫자이다 [79]. 

커피 생두의 주요한 protein은 11S type의 storage protein이다. 그것은 內胚乳(endosperm)에서 熟果 동안에 생합성 되며[141] protein 함량의 약 반을 차지한다 [142]. 11S protein은 길이가 다른 α-arm과 β-arm을 가지며, disulfide bridge를 가지고 있고, 로스팅 동안에 반응성이 더 높은 β-branch에서 chlorogenic acids의 공유결합들(covalent bindings)을 허용한다 [143]. 7S-type protein과 2S-type protein도 보고되었다. 11S protein 그 차제와 그리고 그 발현의 DNAs encoding(암호화)가 유럽과 미국 특허의 주제들이다 [144].  

 

 

 Nitrogenous Compounds II - Trigonelline

 

Trigonelline (N-methylpyridinium-3-carboxylate)은 카페인 다음으로 커피에서 두 번째로 중요한 알칼로이드이며, 커피 생두의 약 1%를 차지한다. 잎 발육 동안에, 그것은 잎들에서 그리고 과실의 과피에서 합성되어 씨앗들에 축적된다. 직접적인 전구물질은 pyridine nucleotide cycle로부터 파생되는 nicotinic acid와 nicotine amide이다 [145]. 

 

 

Trigonelline은 
로스팅 온도와 로스팅 시간에 크게 의존하면서 로스팅 동안에 빠르게 분해되는데, 
로스팅 중에 약 60-90%가 없어진다 [146].

 

그 산물들은
⇒ demethylation를 통한 nicotinic acid 그리고

⇒ decarboxylation를 통한 methyl-pyridines and pyridines이며,

⇒ 반응성 높은 중간물질들과 pyrrols를 포함한 그 이상의 재조합 산물들이다.  

Trigonelline 산물들은 배전커피와 음료의 전반적인 아로마틱 지각에 대해 영향을 미친다. Trigonelline의 분해 산물인 Niacin (nicotinic acid)은 인간의 영양에서 비타민 공급으로 역할한다; 그것은 유럽 규제에서 승인된 비타민이다 [147] 

생리학적으로 중요한 것이 최근 파악된 N-methylpyridinium (NMPY) ions이다 [148]; 그것들은 커피 brew에서 활성도-가이드의 스크리닝 절차(activity guided screening procedure)를 통하여 파악된 바와 같이 [149], the phase II biotransformation enzymes의 도입을 통한 내생적 항산화물질 방어시스템에서 도는 핵심 성분으로 생체내적으로 작용한다 [149]. 

 

 

 Lipids

 

식품 지질은 유기 용매들에서 녹을 수 있는 물질이다. 그 카테고리는 구조적으로 다른 화합물들을 포함한다 [150].

커피 생두에서, 지질의 가장 큰 부분은 커피 콩의 내배유 속에 있는 커피 오일이다; 콩 바깥에 있는 지질은 콩의 바깥 층(outer layers)에 있는 소량의 커피 왁스(coffee wax)에서 발견된다. 

커피 오일은

┌ triglycerides (the fats),

├ phospholipids,

├ sterols,

├ tocopherols,

├ 커피 특징적인 diterpenes, 그리고

└ 지방산들을 가진 각 에스테르들(respective esters with fatty acids)로 구성된다.

 

커피 왁스는 지방산들을 가진 5-hydroxytryptamide esters로 이뤄져 있다.

지방산들(fatty acids)은 16-24 carbons의 체인 길이를 가지고 unbranched 되어 있다. 

커피 생두의 전체 지질 함량의 범위는 7–17%이며, 평균은 Arabica의 경우 약 15%, Robusta의 경우 10%이다. 

Table 9은 다른 성분들의 상대적 함량을 문헌 편집으로부터 평균 [151]과 범위[152]로 각각 보여주고 있다. 

커피 내의 지질은 플레이버와 지용성 비타민들의 운반자(carriers)로서 기능을 하며, 추출액에서의 질감(texture)과 마우스필(mouthfeel)에 공헌한다. 그들 중에서 디테르펜(diterpenes)이 그 생리 효과 때문에 최근에 주의를 받아오고 있다. 

 

 

커피의 total lipid 함량은 tertiary butyl methyl ether를 이용한 선택적 용매 추출(selective solvent extraction)에 의해서 가장 믿을 수 있게 결정된다 [153]. 이 분리는 후속적 분별(follow-up fractionating)의 첫 단계이다. 그것은 독일식 표준 절차의 일부로 검증된다 [154]. 

추가적인 탐구를 위해, total lipids는 gel permeation chromatography에 의해서 free fatty acids, triglycerides, 그리고  diterpene fatty acid esters로 분별될 수 있다 [155]. 

 

 Lipids - Triacylglycerols

 

Triacylglycerols은 개화 이후 120일부터 열매 內胚乳에 축적된다. 

Lipid 합성의 이전 단계는 外胚乳와 內胚乳 모두에서 발생하는 것으로 생각된다:
  ⇒ 2-carbon units를 가진 fatty acids의 연장(prolongation),

  ⇒ 다른 효소들로의 불포화 단계들(desaturation steps),

  ⇒ fatty acids의 중간 숙주(intermediate host)로서의 phosphatidylcholine에 의한 2차 불포화, 그리고

  ⇒  순차적 아실화(acylation) –  triacylglycerol로의 최종 마무리까지.

 

전자 현미경으로 최종 축적을 볼 수 있다 – 커피 재료 내의 분명한 오일 실체들, 직경 약 0.5 m의 방울들을 형성하고, 세포벽 근처에 위치해 있다. Figure 6은 개화 후 187일에서의 이것을 보여준다 [156]. 

 

 

커피 triglycerides의 fatty acid 분포는 열대 식물들에서 특별한데, polyunsaturated fatty acids (통칭 PUFAs)가 포화지방산을 초과한다: 약 50%가 linoleic acid, C-18, 두번의 이중결합된 것, versus 30%가 palmitic acid, C-16; 세번째는 약 10%의 oleic acid, C-18 monounsaturated. Arabica와 Robusta 간에 차이가 있지만, 일반적으로 그들은 비슷하다. 

로스팅 동안에, triacylglyceroles은 변하지 않고 남아 있으며, 나타나는 플레이버 휘발성 물질들의 운반자가 되는 경향이 있다. 매우 강한 로스팅으로는, 그것들은 콩의 바깥 표면에 ‘sweating’하며 모인다.  

소비를 위한 커피 성분 추출을 위한 음료 준비 시에, 대부분의 경우에 지질은 추출액에 도달하지 않는데, 홈 필터 추출액에서 뿐만 아니라 솔루블 인스턴트 커피 생산에서나 그들은 사용된 분쇄커피들에 들러붙고 여과되어 걸러 지기 때문이다. 

이를 생각하면서, 솔루블 커피 제조업자들은 종종 물에 의한 추출 이전에 그들의 캐리어 커피 오일로 아로마 화합물들을 제거하고, 포장 이전에 최종 단계에서 그들을 다시 포함시킨다 – 이 과제에 대한 많은 복잡한 솔루션들이 존재한다 [157]. 

필터링 분리 없이 배전된 분쇄커피를 boiling하여 커피를 마련하는 것과 같은 다른 brewing 방법들은 소비를 위한 컵에 지질을 남긴다 – 오래된 방식의 스타일로 1970년대말까지 Scandinavia에서 사용되어져 왔다. 

진정한 에스프레소 마련에서[158], 반세기 전부터, 컵 속의 커피 지질은 현저한 역할을 한다. 압력 하에서의 빠른 준비 때문, 지질이 음료에 도달하여 현탁액(water emulsion)에 고함량의 아로마틱 휘발성 물질들과 함께 안정적인 오일을 형성할 수 있다; 소비자는 비후 감각(retronasal sensation)을 통하여 그리고 향상된 마우스필을 거쳐 느끼게 된다 – ‘Espresso, a festival for all senses’이 2003년 독일의 인기 있는 과학 논문의 타이틀이었다 [159].   

 

 

 Lipids - Diterpenes and diterpene esters 

 

커피의 지질 부분은 

⇒ 오환의 디테르펜 알코올들(pentacyclic diterpene alcohols)인 Cafestol 및 kahweol, 그리고

⇒ C-17 위치에서 에스테르화된 각각의 메톡실화된 화합물들(methoxylated compounds)이다. 

그것들의 함량은 total lipids의 약 15%이다. 

 

개별 에스테르들(esters)은 다른 양들로 커피에 존재한다. 그들은 palmitic acid, linoleic acid, oleic acid으로부터 stearic acid까지 50–10%부터 내려가며, 심지어 arachidic acid와  behenic acid와 같은 어떤 포화된 C-20 및 C-22 지방산 에스테르들도 발견된다 [160]. 홀수의 지방산 에스테르들은 매우 덜 중요한 성분들이다.  

Kahweol esters는 주로 Arabica 콩들에 존재하며, Cafestol 에스테르는 Arabica와 Robusta 모두에 존재하며, 16-O-methylcafestol esters는 Robusta에만 존재한다. 후자는 로스팅 동안 안정적이며, 따라서 정교한 분석 절차가 상업적으로 로스트된 커피들의 궁극적인 Robusta 함량의 식별을 위해 제안되었다 [161]. 최근 결과에 따르면, 한 확장된 방법이 인스턴트 커피에 대한 적응을 가능케하기 위해 주장된다 [162].   

Cafestol, kahweol, 그리고 그들의 각 에스테르들은 로스팅 시에 

⇒ 분해(decomposition)와 아이소머화(isomerisation)를 겪으며

⇒ 물 제거(water elimination)에 의해 dehydrocafestol/-kahweol를 형성하고,

⇒ 에스테르 분열(ester cleavage)과 C-17에서의 산화에 의해 cafestal/kahweal을 형성하며, 그리고

⇒ 아이소머화와 isokahweol과 dehydroisokahweol으로의 소거(elimination)를 거친다;

⇒ 동시에 로스팅 조건들에 크게 의존하면서 에스테르 함량의 감소가 병행한다 [163]. 

 

 

1983년의 노르웨이 연구[164]에서 보고된 커피 소비와 혈청 콜레스테롤 수준(serum cholesterol levels) 간의 반대적 연관이 그 음료 내의 cafestol (and kahweol) esters의 존재에 연결되는 것으로 파악되었다 [165]. 다른 지질들과 같이, 그것들의 량은 커피 메이킹 스타일에 연결되어 있다. Table 10에서 데이터가 블루잉 장비에 대한 작은 사진들, 그 절차에 대한 설명, 그리고 그 문헌에 따른 콜레스테롤 상승에 대한 추정치들을 보여주고 있다[166].   

에스테르 함량은 

⇒ 분쇄 커피의 분리가 없는 boiled coffee, French press (Plunger pot), 그리고
     Middle Eastern style preparations의 경우에서 높고,

⇒ espresso coffee에서는 중간이고, 그리고

⇒ instant coffee와 filtered coffee에서는 무시할 정도이다. 

그 동안에, 대부분의 스칸디나비아인들은 전통적인 boiling style에서 filtering method로 커피 메이킹의 습관을 바꾸어 왔다; 커피의 콜레스테롤 상승 효과가 더 이상 거기에서는 문제가 아니다. 다른 커피 마련 테크닉들에 있어서 선택은 소비자에게 있다. 

 

 

 

 Lipids - Sterols, tocopherols

 

커피는 다른 씨앗 오일들에도 전형적인 많은 스테롤들(sterols)을 함유하고 있다. 

4-desmethylsterols에 더하여, 여러가지 4-methyl- and 4,4-dimethylsterols이 
     free 형태와
      esterified 형태로 모두 식별되어 왔다.  

 

Robusta와 Arabica 커피의 주요한 desmethylsterols의 분포는 확실히 다르며, 그리고
특수한 통계 평가로 Arabica 커피들에서 Robusta의 파악을 위한 용도가 제안된 바 있다 [167]. 

커피 오일 내의 Tocopherols는 약 120 mg kg^-1을 가지고 있으며 Arabica에서보다 Robusta에서 약간 더 많다. 

그들은 배전 커피에서도 발견되고, 그 brew에서 그리고 솔루블 커피에서도 발견된다. 

 

 

 Lipids - Coffee wax

 

Coffee wax, 생두 표면의 얇은 층인 커피 왁스는

  ⇒ C-22까지의 체인 길이를 가진 지방산들(fatty acids)로 이뤄져 있고,

  ⇒ 하나의 아미드(an amide)로서 serotonine,
       5-hydroxytryptophan (C-5-HT, carboxylic-acid-5-hydroxy-tryptamide)의 아미노기에 연결되어 있다. 

 

석유 에스테르(petroleum ether)에서 불용적이며, 염소처리된 유기 용매들(chlorinated organic solvents)에서의 가용성에 의해 정의되고 준비된다. 

어떤 때에는, 커피 왁스의 감소가, 로스팅 중에 형성될 수도 있는 가능한 거슬리는 화합물들(irritating compounds)을 줄이고 따라서 더욱 소화되기 쉬운 커피 추출액을 초래하기 위해 시행되는 생두의 ‘처치’[168]를 가리키기 위해 채택되기도 했다.  

 

 

 Volatiles

 

본 섹션의 성분들은 보통의 화학적 특징을 공유하지 않으나, 휘발성이고 커피 아로마에 공헌하는 물리적 특성을 가진다. 

커피 냄새에 대한 전반적인 감각에 대한 개별 공헌의 추정은 각기 상이한 도구들로 수행될 수 있다. 

최선의 장비는 gas chromatograph인데, 기술을 위한 검출부에 냄새를 맡는 부분(sniffing port)과 분리된 성분의 식별을 위한 mass spectrometer (GC–MS)를 갖추고 있다. 냄새물질의 정밀한 계량화는 내부 스탠다드 (internal standards)로서 안정적인 동위원소 희석 시금(stable isotope dilution assays)을 사용하여 이뤄진다 [169].    

최저 식별가능 냄새 농도(minimum identifiable odor concentration)에 기초하여, an Odor Value 또는 a Flavor Dilution Factor가 정의될 수 있으며, 따라서 GC/O에 의해 결정되는 그들의 냄새 단위들(odor units)에 기초하여 휘발성물질들을 순위화할 수 있다 [170]. 

커피의 전반적인 느낌(impression)에 대한 냄새활성성분들(odor active components)의 중요성은 재조합 실험에 의해 확인된다. 계량적 데이터에 기초한 어떤 20가지 화합물들의 합성적 블렌드로, ‘roast coffee’라는 감각(sensation)이 맞춰졌다. 다른 것들에 대한 상호작용에서의 개별 화합물들의 영향은 누락 실험들(omission experiments)에 의해 평가된다.  

대다수 커피 휘발성 물질들은 roast coffee에 연결되어 있고, 생두 로스팅에 의해 생성된다. 

 

 Volatiles in green coffee

 

생두에서 약 200가지 휘발성 물질들이 파악되어왔다. 위에서 말한 방법들을 사용하여, 그중 일부가 가장 중요한 것으로 나타났다 (Table 11). 

 

 

이 핵심 향기물질(key odorants) 중 어떤 것들은 Robusta와 Arabica 커피의 구별을 가능케 하기도 한다 (Table 12) [169]. 

 

 

‘earthy, musty’이라는 감각적 느낌을 나타내는 2-Methylisoborneol이 Robusta 커피의 핵심 아로마 화합물인 것으로 제시되고 있다. 

철저한 조사에서, 어떤 생두의 휘발성 물질들이 결점두들의 특징으로 파악되었고, 이들은 프로세싱 동안에 과발효에 의한 것일 수도 있고, 또는 벌레 공격에 의한 것일 수도 있다 (Table 13) [80,120]. 

 

 

 Volatiles on roasting

 

로스트 커피 아로마는 1000 가지 이상의 휘발성 화합물들의 복잡한 혼합체이다. 앞서 언급된 도구들로, 그것들의 량이 약 20가지 핵심 아로마 화합물들로 축약될 수 있었다 [122]. 

이들 가운데, roasty-sulfurous 냄새가 나는 2-furfurylthiol (FFT)이 단연코 두드러진 냄새물질이다. 로스팅 동안에, 그것은 커피 내의 다당류(polysaccharides)에서 발산되는 cysteine과 arabinose의 반응들에 의해 형성된다 [171]. 

omission-experiment에 의해 밝혀진 바 다음 계열은 pyrazines이고 그 다음으로 furanones와 sulfur compounds이 잇는다. 휘발성물질은은 그들의 냄새 특질들에 따라 그룹화될 수 있다. 

미디엄 로스트된 아라비카 커피의, 고형의 로스트 커피에서의 농도(mg kg^-1), 추출액에서의 농도, FD factors, 그리고 감각적 느낌들이 크로마토그래픽 분석에서의 숫자들과 함께 제시되어 있다 (Figure 7) (상이한 출처들 122,172,173로부터 편집된 – 모든 실체들이 있는 것은 아님). 모든 휘발성 물질들이 그룹화된 것은 아니다.  

 

Tables 14-19에는 그 특징들로 긍정적으로 그룹화된 휘발성 물질들이 나와있다 – FD-클로마토그램에서 알려진 모든 화합물들이 그룹화된 것은 아니며, 모든 것들이 완전히 특징분석 된 것은 아니다. 이 로스트 커피 냄새물질들 중 일부텉 아라비카와 로부스타 간에 현저하게 차이가 난다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Volatiles in the brew

 

테이블들의 데이터는 고형의 배전된 분쇄 커피의 아로마 휘발물질들과 소비 전 최종 단계로 마련된 추출액의 아로마 휘발물질들을 보여준다. 

이 아로마 음료 농도 자체의 안정성이 관심사인데, 소비자는 자극 효과 이외에도 아주 좋은 전체적 아로마를 위해 대개 갓 준비된 커피 추출액을 평가하기 때문이다.  

그러나 아로마는 안정적이지 않으며, 커피 추출액의 마련 후에 급속하게 변한다. 

위에서 요약된 휘발성 아로마 화합물들의 그룹들 가운데, sulfury-roasty 성분들은 일반적으로 커피에 특별한 음료의 로스티 느낌에 공헌한다. 

이 특질 측면과 관련하여[174], 음료 특질에서의 현저한 감소가 추출 직후에 관찰될 수 있다. 그것은 그 수용액의 헤드스페이스에 대한 아로마 희석 비교분석 (comparative aroma dilution analysis)을 통하여 계량적으로 식별되는데, 커피 추출액으로부터 분리되어진 total volatile fraction을 함유하고 있다.  

그 감소는 sulfurous/roasty notes에 강하게 영향을 미치며, 관찰되는 그 아로마 및 특질 변화들은 

향을 풍기는 티올들(odorous thiols)인 

⇒ 2-furfurylthiol (FFT),

⇒ 3-methyl-2-butenthiol (MBT),

⇒ 3-mercapto-3-methylbutyl formate (MMBF),

⇒ 2-methyl-3-furanthiol, 그리고

⇒ methane thiol의 감소에 연결된다. 

또 다른 데이터는 melanoidins로부터의 pyrazinium derivatives의 티올-결합 작용(thiol-binding activity)이 유효성분으로서 pyrazinium radical cation으로 커피 추출액 마련 직후 sulfury-roasty 냄새의 감소에 분명히 공헌한다는 것을 제시한다. 

 

 

 Human-Environment Interactions – Smell and Taste

 

방금 전 기술된 휘발성 물질들은 인간의 후각체계(olfactory system)인 냄새 감각(sense of smell)에 대한 자극을 제기한다. 커피의 다른 감각적 자극은 커피 음료 소비 중에 미각 체계(gustatory system)를 경유하여 지각되는 맛(taste)이다 – 두 감각 모두 인간-환경 상호작용이다. 

Taste을 통한 상호작용의 경우에, 분자-생물학적 수준에서나[175] 맛 지각(taste perception) 수준에서나 모두 집약적인 연구가 계속 되는 중이다 [176]. 

냄새 지각의 경우에, 후각 체계의 조직과 관여되는 주체들을 포함하여 기본적 메커니즘이 지난 수십년 동안에 널리 규명되어져 오고 있다 ; 2004년에, 그 발견들이 노벨상을 수상하여 가치를 인정받았다 [177, 178]. 최근에, 이 인간-환경 상호작용은 주요 참고 연구의 “Taste”와 “Flavor and Fragrance”라는 소제목으로 두 챕터들에서 다뤄졌다. Taste 챕터에서는[203], 맛 양상들(taste modalities)에 연관된 천연 산물들과 물질들이 항목별로 구분되어졌다. 커피 미각에서 중요한 “bitter”와 “sour”라는 basic tastes가 논의된다. 삼차신경의 지각(trigeminal perception)에 연결되는 astringency의 구강내 감각이 커피 내의 chlorogenic acids 때문인 것으로 설명되고 있다. 그 연구의 냄새 챕터는 지금까지의 개요를 제공하고 있다. 

냄새 지각은 로스트 커피 또는 커피 추출액 상부공간에서의 sniffing 중에 일어난다; 휘발성 냄새물질 분자들이 흡입되는 기류와 함께 비강(nasal cavity)으로 들어가, 점막(mucous layer) 내부로 흡수되어 후각상피(olfactory epithelium)에 있는 수지상 섬모(dendritic cilia)에 도달하고, 그리고 적합한 냄새물질 수용체(fitting odorant receptor) 지점들에 결합한다. 그 수용체의 반응 패턴이 특정 냄새물질들을 식별을 위해 기능한다 [179];  후각 망울(olfactory bulb)의 사구체 (glomeruli)를 경유하여 후각 피질(olfactory cortex)에 신호가 도달하여, 기억과 감정을 통한 냄새의 인식을 위해 뇌의 다른 영역으로 전달된다(forwarded).  인간의 후각체계는 약 400가지의 상이한 수용체 타입들을 가진 수백만개의 후각 세포들을 가지고 있다; 그들은 상이한 냄새물질들을 구별하기 위해 충분한 수의 조합들을 가능하게 한다 [180]. 분석적으로 분리된 커피의 휘발성분들 중 어떤 것들의 경우에, 그 지각되는 느낌들은 마지막 섹션에서 주어진다. 

일반적으로 천연 냄새들은 냄새물질들의 혼합물로 이뤄져 있다. 그것들이 냄새 맡아질 때, 수용체 코드들의 합병이 후각 피질에서의 새로운 지각들을 유발하는데[181], 이는 특별한 특성화를 필요로 한다. 커피의 냄새에 관해 커뮤니케이트 하기 위해서는 합의된 풀의 언어 묘사적 속성들의 정립이 필요하다 – 이는 지금까지의 도전 과제이다. 

후각의 다른 경로는 ‘retronasal(비후경로)’이다; 이는 커피 음용 중에 발생하는데, 냄새분자들이 입 속에서 발산되어 鼻咽頭(nasopharynx)을 통해 嗅覺上皮 (olfactory epithelium)에 도달할 때 일어나는 것이다. 더 나은 구분을 위해 커피인들은 flavor라는 용어를 좋아하는데, 이는 구강 체계(oral system)와의 상호작용을 가지는 모든 산물들에 대해 사용된다 [182]. 그 성분들은 ‘exhaled odorant measurement’[183] 또는 ‘oral breathe sampler’[185]와 같은 테크닉들에 의해 분석적으로 분리될 수 있다. 전반적인 지각(overall perception)은 커피 추출 상부공간에서의 흡입(inhalation) 시의 ‘정통 후각(orthonasal)’ 지각과는 다른데[186], 플레이버의 경험이 미각 정보와 somatosensation(신체 표면과 인체 환경과의 상호작용에 관한 정보를 전달하는 과정)도 포함하기 때문이다 [186]. 

미각체계(gustatory system)와 맛 감각(sense of taste)이 커피 음료에 의해 활성화되는데, 커피의 맛을 내는 물질이 구강내 상피의 맛 수용체 세포들(epithelial taste receptor cells)에 도달할 때 이뤄진다. 커피의 미각은 포유류의 맛 지각의 일반적 경로[187]를 따르는데, 미뢰(taste buds) 내의 전문화된 맛 세포들(specialized taste cells)에서의 구별되는 수용체들에 의한 검출, 수용체 단백질들을 통한(coffee’s bitterness) 또는 이온 채널들을 통한(coffee’s acidity) 상호작용에 의한 뇌에서의 추가적인 프로세싱을 위한 각 미각 신경들로의 정보 전달. 지각되는 맛 강도(taste intensity)는 그 자극의 레벨에 상응한다.  

커피 내에서 발견되는 강도들에서, ‘bitter’는 그 음료에 대한 풍부성을 더하면서 긍정적인 속성으로 취급된다. 그 자극은 더 긴 시간을 보일 수 있다 - ‘aftertaste’ or ‘persistence’. 

최근에, a ‘bio-response guided’ screening method가 커피 내의 쓴맛물질들을 식별하기 위해 개발되었다. 인간의 bio-response와 그리고 화학적 분할 및 도구적 분석으로의 검출 연구를 결합하여, 이 방법은 화학적으로 다른 부류들의 쓴맛을 내는 물질들에 대해 새로운 통찰들로 이끌고 있다[188].  

 

Acidity는 커피의 다른 큰 맛이며, fine, mild, fruity, balanced와 같은 많은 긍정적인 형용사들을 가지며, ‘sour’과는 구별된다. Bitterness와 acidity의 지각들은 서로 영향을 미치며, bitterness는 acidity를 가릴 수도 있다. 이 두 가지 맛 특질들은 가장 강한 현저한 비교-문화적 차이들을 보인다 [176]. 

커피 맛을 볼 때 ‘mouthfeel’은 somatosensory sensitivity이며, 그 액체의 texture와 viscosity에 의한 tactile or thermal stimulation로부터 초래되며, 뿐만 아니라 미뢰들(taste buds) 밖에 있는 주위신경섬유들(perigemmal fibers)에서 수용체들의 활성화들로도 초래된다. 그 자극들은 구강내 주위신경말단들을 통해 뇌로 직접적으로 전달되고 음식 섭취 동안에 somato-gustatory sensation에 공헌하는 것으로 믿어진다.  

‘Astringency’는 마르는 또는 거친 마우스필(drying or rough mouthfeel)인데, 입의 윤활 감소 (decreased oral lubrication)와 폴리페놀들에 의한 타액 단백질들의 결합(binding of salivary proteins)으로 부터 초래되는 것이라 한다 [189].  대부분의 소비자들은 그것을 싫어한다. 

커피에 관한 일치적인 언어적 커뮤니케이션에 대한 연구에서, 일단의 소비자-지향적 표현들(descriptors)이 1991년에 the International Coffee Organization ICO에 의해 제안되었는데, aroma, taste, mouthfeel, 그리고 또 ‘off-flavors’을 포함하는 주요 섹션들을 가지고 있다 [190]. 1996년에 한 소비자-지향적 연구가 뒤따랐다 ; 그 연구는 몇몇 유럽 국가들에서 병행 수행되었다 [191]. 상이한 패널들에 의한 커피에 대한 센서리 평가와 그것의 구두적 표현이 문화 및 언어에 따라 크게 차이가 나며, 최근에 매스미디어의 광고들과 패널리스트들 분석들과 소비자 용어들을 비교하는 한국의 연구에서 지적된 바 있다 [192].  

한 주어진 센트의 용어들과 훈련된 패널로 계량적인 기술적 센서리 분석은 스파이더 그래프로서 종종 제시되는 센서리 프로파일을 낳을 수 있을 것이다. 

기호 척도(hedonic scale) 상에서 odor, flavor, taste, 또는 mouthfeel 센세이션의 즐거움(pleasantness)의 문제가 감각학의 또 다른 분야를 연다. 

 

 

 Organic Acids

 

‘Chemistry Components and Processes’ 섹션에 있는 Table 2의 ‘Organic Acids’이 커피 맛에 대한 영향 때문에 여기서 논의된다.  그들은 생두 또는 분쇄 커피 모두에서 합하여 무수 중량의 3% 미만이다.  

그 개요가 2001년에 나온 바 있다 [193]. 몇 가지 출처들로부터 편성되어, 생두, 배전두, 솔루블 커피의 질량 함량이 보고되었고, 로스팅과 추출로 그 변화들을 커버한다. 

클로로겐산류 이외에, 커피 생두 내의 가장 현저한 산은 

⇒ 1.3%의 citric acid이며,

⇒ 그 다음이 malic acid (0.3–0.4%)와  

⇒ phosphoric acid (0.1–0.3%)이며, 후자는 phytic acid, inositol hexakis phosphate에서 유래된다.

 

커피 로스팅 단계에서, 추가적인 산들이 탄수화물 분해로 형성되는데, 주로

⇒ acetic acid (0.3–0.5%),

⇒ formic acid (0.2),

⇒ glycolic acid (0.1–0.2), 그리고

⇒ lactic acid (0.1%)이다; 그 탄수화물 분해의 메커니즘이 제안된 바 있다 [194]. 

 

Citric acid와 malic acid가 분해에 의해 클래식컬한 elimination reactions로 각각 0.6–0.8 %와 0.2 %의 함량으로 감소된다. 휘발성 때문에, acetic acid와 formic acid가 더 높은 로스팅 온도들에서 적어도 부분적으로 소실된다. Chlorogenic acids의 분열에서의 기대되는 quinic acid의 증가는 acid functions를 막으면서 각 lactones에 대한 중간 반응에 의해 균형화된다 [133].   

 

음료 마련 후에, 길게 보존하면 그 추출액 내의 산 함량의 증가를 유발할 것이며, 이는 acid에서 sour taste로의 변화와 함께 lactones의 가수분해에 의해 대부분 영향 받는다. 

최근의 한 논문은 인스턴트 커피 생산 동안에 배전 분쇄커피의 추출에서의 한 모델 실험들을 기술하고 있는데, 그 중에서도 acid profile에서의 변화와 관련하여 설명한다 [195]. Formic acid, quinic acid 그리고 acetic acid의 함량은 citric acid와 malic acid의 함량 보다 비교적 더 많이 증가하고 있디; 그리고 이는 추출 과정에서의 acidic taste의 정성적 및 정량적 변화의 원인이 될 수도 있을 것이다.  

커피 음료 테이스팅 중에 지각되는 전반적인 애씨더티(overall acidity)는 종점까지 총 적정산도(total titrable acidity)에 상관되는데, 이는 6에서 7까지 변하는 타액(saliva)의 pH setting을 닮았다; 좋은 값은 6.7 정도일 수 있을 것이다. 그 상관은 합리적인 것으로 보이며, 반복으로 확인된 바 있다 [196]; 결정을 위한 한 분석 절차가 표준화된 방법들로 정립되었다 [197, 198]. 

개별 산들의 센서리 효과는 pKs-values로 표시되는 그들의 degrees of dissociation 때문이다. Total acidity에 대한 공헌(일부 100가지 비주요 산들을 포함하여 계산된)은 acetic acid이 25%, citric acid가 20%, chlorogenic acids이 8%로 계산될 수 있었으며, 그 다음으로 formic acid와 malic acid가 각각 6%이었다 [199] – 중량 퍼센트에 비교할 때 첫 라인들에서 현저한 순위 차이가 있다. 

 

 Melanoidins

 

로스팅 동안에, 커피 콩의 현저한 갈변이, 커피 성분의 내적 변환, 아로마틱 휘발성 물질들의 형성 그리고 새로운 부류의 산물들인 멜라노이딘류의 형성과 함께 발생한다. 

오래 시간 동안, 멜라노이딘류는 갈변 반응들의 짙은 결과물들이며, 비구조화된, 잘 정의되지 않은 거대분자 물질들이지만 커피 추출액으로 들어가는 것들이다. 그 추출액의 불용성 성분들은 ‘용매’인 물 분자들도가 더 크며, 생리-화학의 관점에서 우리는 현탁을 다룬다. 

이 멜라노이딘들 자체가 
1999년의 “Melanoidins in Food and Health”[200], 그리고 
2004년의 “Thermally processed foods: possible health implications”[201]에 관한 

국제 과학 네트워킹의 주제들이었다. 

멜라노이딘류는 커피 추출액의 일부이며, 무수물의 약 20%를 차지하고, 그로부터 분리되어질 수 있다. 최근 연구들은[135] 그것들이 저분자 화합물들로(up to 3 kDa)[202] 약 80%, 그리고 나머지가 고분자 화합물들로(12 kDa까지의 분자량)[124] 이뤄져 있음을 밝혔다 [135]. 

 

 

 

커피는 광범한 스펙트럼의 화합물들을 함유하고 있다. 많은 것들이 커피의 플레이버에 공헌하며, 그리고 자극 효과를 가진 카페인, 항산화 물질로서의 클로로겐산류, 비타민으로서 nicotinic acid, 콜레스테롤-증가시키는 화합물로서 diterpene esters와 같은 어떤 화합물들은 건강에 대한 효과도 가진다. 음료로서 커피의 비슷한 중요성에도 불구하고, 건강 증진 효과에 관한 연구는 차의 경우와 같은 정도로 발전되지는 않았다. 적어도 커피 콩들의 전체적인 프로세싱과 커피 추출방법이 커피를 마실 때 소비되는 화합물의 최종 mélange(혼합)에 중요한 역할을 한다.