커피의 탄수화물 (2001) by A.F.W. Bradbury

 1.1. INTRODUCTION 

 

본 리뷰는 Trugo (1985)에 의한 이 분야에 관한 챕터 이후로 이루어진 연구에 중점을 두면서 커피 탄수화물 화학 분야의 문헌을 요약한다.  커피에서의 탄수화물 부분의 중요성은 그것의 높은 함량을 볼 때 분명하다 : 무수 중량 기준으로, 탄수화물은 커피 생두의 반 정도를 차지한다.

 

생두의 저분자량 및 고분자량 탄수화물(Low and high molecular weight carbohydrate) 성분들이 제시된다 ; 이들은 모두 커피 로스팅에 연관된 광범위한 화학적 변화들에 참여한다.  탄수화물들은 또한 배전 커피와 솔루블 커피 제품들에서도 높은 레벨로 존재한다.  본 장에서는, 생두, 배전커피, 그리고 솔루블 커피에서의 carbohydrate fractions의 함량과 특성들이  설명될 것이다. 

 

 

 1.2. GREEN COFFEE

 

 1.2.1. Low molecular weight carbohydrate

 

커피 생두에 있는 주요한 저분자량 탄수화물(low molecular weight carbohydrate) 또는 sugar는
   ▨ sucrose (수크로오스, 자당, 蔗糖)이다 ; 
   ▨ 이 單糖(monosaccharide)의 함량은 비교적 낮다. 
   ▨ 일반적으로 아라비카 품종들이 로부스타 품종들보다 수크로오스를 
       약 2배 정도 더 많이 함유하는 경향이 있지만, 
       발표되어 있는 값들은 콩 타입들 사이에 많은 차이를 보인다.
   ▨ 대부분의 문헌에 나와 있는 수크로오스 함량 값은
          robusta 콩의 경우 ➡ 2%~5%,
          arabica 콩의 경우 ➡ 5%~8.5%의 범위에 있다 (Clifford 1985에 요약).

 

Silwar and Lüllman (1988; Lüllman & Silwar, 1989)의 연구 

   ▨ 13대 생산국가들로부터 나온 20개 그린 커피 샘플들의
       저분자량 탄수화물 프로파일을 확인하기 위해
        an HPLC-based method를 사용한 바 있다 (Table 1.1).
   ▨ 그들의 연구에서 핵심적인 발견사항들은 다음과 같이 요약할 수 있다 :
       (1) Sucrose 함량은
             arabica 샘플들의 경우에는 ➡ 6.25~8.45 %로 나타났고,
             robusta 샘플들의 경우에는 ➡ 0.6~4.85 %로 나타났다.
             (2개의 낮은 수치인 0.9%와 1.25%를 제외하고는,
              분석된 robusta들은 위에 주어진 범위에 들어갔다). 
       (2) Robustas가 arabicas보다 더 많은 還元糖들(reducing sugars)을 함유했다. 
       (3) Sucrose, 그리고 아주 적은 maltose 함량을 가진 한 가지 robusta를 제외하고는,
             커피 생두들에 the `flatulent sugars‘인 라피노오스(raffinose) 또는
            스타키오스(stachyose)와 같은 기타 간단한 寡糖類(oligosaccharides)의 증거는 없었다. 

 

 

Silwar and Lüllman (1988; Lüllman & Silwar, 1989)의 연구 
▨ 익는 동안 또는 프로세싱 동안에 내생 효모들(endogenous enzymes)의 작용으로
    다당류(polysaccharides)로부터 파생된 단당류(monosaccharides)의 존재로 이끌 것이라고 기대되었던 바,
▨ 비록 free galactose는 함유했던 샘플들은 없었지만,
    소량의 arabinose가 모든 커피들에서 발견되었으며, 대부분의 커피들에서 mannose가 발견되었다.

 

위에서 설명된 당분 데이터는 주로 HPLC-based methods나 GC-based methods를 이용해서 얻어졌다.

그러나, 전류계측 검출기(amperometric detection)과 결합된
이온교환 크로마토그래피(ion exchange chromatography )의 최근 등장으로 인해
낮은 검출 한계(low detection limits)에 대한 훌륭한 해결이 가능해졌고,
요즘에는 커피 속의 당분 분석, 특히 상업용 솔루블 제품들에서의 당분 분석을 위해 선호되는 테크닉이다. 

이 테크닉을 사용하여, Zapp (personal communication)는
▨ 3가지의 인도네시아 로부스타 커피 생두들에서 2.60%~3.02% 사이의 sucrose 함량을 얻었다.
▨ 그는 또한 브라질산 건식 처리된 아라비카에서 6.6%, 그리고
▨ 2개의 습식 처리된 아라비카 샘플들로부터 각각 7.02% (New Guinea)와 6.5% (Mexico)의 값들을 얻었다.

 

숙과도(Degree of ripening)에 따라 수쿠로오스 함량(sucrose content)도 증가할 것으로 기대된 바,
브라질의  immature-black bean과 immature-green bean과 같은 결점두들에서 분명하게 확인되었는데,
이들 결점두들은 정상 콩들에 비해 각각 1/3과 1/5 수준으로 나타났다 (Mazzafera, 1999). 

또 다른 연구에서 (Gopal & Venkataramanon, 1974), 
▨ 인도 커피에서의 black bean 발생은 콩 발달 동안의 탄수화물 축적 부족이 원인인 것으로 나타났으며,
▨ 흑두들에서의 sucrose 수준은 정상 콩들의 약 반 정도에 불과했다.
▨ 이는 또한 베트남 로부스타 커피들의 경우에도 관찰되었는데, 
    한 샘플로부터 분류된 black beans의 sucrose 함량은 0.9%로 나타났고, 
    같은 배취의 정상 콩들에서는 4.0%로 나타났다 (Zapp, personal communication). 

 

Luger & Steinhart (1995)는
커피 생두의 스팀 처리에서 Sucrose의 glucose와 fructose로의 가수분해(hydrolysis)를 관찰하였다.
▨ 轉化糖(invert sugars)의 생성은 스티밍 정도와 함께 증가되었으며,
▨ 다당류 가수분해 산물들인 mannose와 galactose의 소량 생성도 마찬가지였다.
▨ 높은 스티밍 수준에서는 fructose의 재배열 때문에 Keto sugar psicose도 만들어졌다.

 

Franz and Maier (1993)의 연구
▨ an anion exchange column을 사용한 an HPLC method를 개발.
▨ 커피에 있는 inositol tri-, tetra-, penta- and hexaphosphate (phytic acid)를 확인하기 위해. 
▨ 커피 생두는 hexaphosphate (phytic acid)를 함유하고 있었고
                      pentaphosphates도 함유하고 있었다(더 낮은 수준으로). 
▨ robusta 콩들과 arabica 콩들 각각 4가지 샘플들이 모니터 되었음.
▨ 총 이노시톨 포스페이트(Total inositol phosphate) 함량 :
          robusta 샘플들 ➡ 0.34 ~ 0.40%
          arabica 샘플들 ➡ 0.28 ~ 0.32%

Franz & Maier (1994)의 연구
▨ Salvador 아라비카 샘플에 대한 사전 스티밍 처치(presteaming treatment) 결과
▨  the tri- and tetra-phosphate derivatives가 형성되었다.
▨  이것은 the phosphate esters의 some hydrolysis를 가리키는 결과이다. 

Noyes and Chu (1993)의 연구 : green coffee에서 Polyalcohols을 발견
▨ 브라질 로부스타와 아라비카 블렌드에서 낮은 수준의 mannitol을 발견
    (average content 0.027%). 

the group of Spiteller (Ludwig et al., 1975)의 연구 : 
▨ 1970년대에
▨ 일련의 디터핀 글리코시드(A series of diterpene glycosides)인
      the atractylglycosides가 식별되었음.
▨ 이 화합물 군의 주요 성분들의 함량들을  
      ➡ KAI, KAII and KAIII 라고 부르고
▨ Maier and Wewetzer (1978)에 의해 커피에 대해서 확인되었음. 

 

Bradbury and Balzer (1999)의 연구
▨ LC-MS를 사용하여, 
▨ 생두 내에서 이 배당체들(glycosides) 각각이 실제로 C-4에서 
     2개의 카르복실기들(two carboxyl groups)을 가지고 있다.
▨ 결과적으로 그 화합물은 carboxyatractylglycoside으로 파악되었다.
▨ 그 화합물의 구조는 Fig. 1.1에 나와 있다.
▨ 그 분자들(molecules)은 쉽게 decarboxylation을 겪었고
▨ 스티밍 처치와 같은 마일드한 온도 조건들이 
     각 배당체로부터의 카르복실기(a carboxyl group)의 량적 제거(quantitative removal)을 유도했다.
▨ 여러 다른 타입들의 함량 측정 결과
    robusta beans 보다 arabica beans에서 
    그 배당체들의 함량이 유의하게 더 많았다는
    Maier and Wewetzer (1978)의 선행 연구 결과를 확인하였다 (Table 1,2).
▨ 그들은 또한, 비록 너무 낮아서 정확한 계량이 어려웠지만
    CKAIII의 3가지 isomers를 식별할 수도 있었다. 

Figure 1.1  커피 생두의 Carboxyatractylglycodises (카르복시 아트락틸 글리코시드) 

 

 

 1.2.1. High molecular weight carbohydrate

 

비록 여러 타입들의 다당류가 수년 동안 커피 콩 성분으로 제안되어 왔지만, 이제 어느 정도 정립이 되어 왔다. 

커피 콩 다당류 부분(polysaccharide fraction)은 3가지 중합체 타입들에 의해 지배된다 : 
    ▨ arabinogalactan,
    ▨ mannan (and/or galactomannan) and 
    ▨ cellulose. 

Bradbury and Halliday (1990)의 연구
▨ 4-methylmorpholine Noxide에 용해시킨 ground, defatted, desugared green beans에 
    다당류 구조 분석을 적용하여 이것을 확인한 바 있다. 
▨ 그렇게 하여 얻어진 탄수화물 연결 패턴 (Fig. 1.2)은 
    3가지 다당류 타입들의 조합(combination )을 나타냈다 :
       → a highly branched arabinogalactan, 
       → a linear mannan with a low degree of substitution and 
       → an unsubstituted glucan (cellulose). 

 

 

 

(a) Arabinogalactan structure

 

Wolfrom and Patin (1965)의 연구
▨ 커피 arabinogalactan (AG)의 구조를 특징 지우고자 하는 최소의 시도이었음.
▨ 생두로부터 그 polymer(아라비노갈락탄)를 분리해냈고 (콩 무게 기준으로 약 1%였다)
▨ a β1-3 linked backbone of galactose units 
                with frequent single (arabinofuranosyl) and
       two (galactopyranosyl linked at C-3 to arabinofuranosyl) unit side chains
                linked at the C-6 position  to galactopyranosyl units β1-3 linked in the main chain을 제안했다. 
▨ 이 구조는 a ‘Type II’ AG로서 그 폴리머를 퀄리파이한다.

 

Bradbury and Halliday (1990)의 커피 콩 다당류의 구조에 관한 연구
▨ AG의 Type II classification를 재확인했지만, 
▨ 그 폴리머는 추가적인 구조적 특징들을 가졌음을 제시했다.
▨ 이들은 non-terminal arabinose units (linked 1-5),
                  1-6 linked galactose units 그리고
                   terminal galactose units를 포함시켰다. 
▨ weak acid에 의하여 an AG-enriched preparation의 부분적 가수분해(Partial hydrolysis) 결과
▨ pyranosides(i.e. those to galactose)와 반대로
     furanosides(i.e. those to arabinose)로의 글리코시드 연결들의 
     더 높은 가수분해의 불안정성(hydrolytic lability) 때문에
     ⇒ arabinose 함량이 감소함에 따라
         terminal galactose 함량뿐만 아니라,
         the 3-±6 linked galactose의 함량도 증가했다.
▨ 이것은
    side chains에서의 galactose involvement에 대한 초창기 주장을 확인해주었을 뿐만 아니라
    galactose-galactose linkages (1-6)도 아마 side chains에 존재했음을 가리켰다.

 

Fig. 1.2. 로부스타 생두에 대한 연결 분석. 부분 메틸화된 알디톨 아세테이트의 GC 분리

 

 

Fischer et al. (1999)의 연구 
▨ 생두로부터 세포벽 물질(a cell wall material (CWM))을 분리해내었다.
▨ 모든 다당류 부분을 함유(all of the polysaccharide fraction). 
▨ CWM의 20%가 수용성(water-soluble)이었고, 가용성(soluble) AG를 함유했다.

 

이것을 위에서 설명된 연구에서 분리된 이러한 the coffee AG-enriched fraction의 경우에
얻어진 물질과 비교하면 유사성들을 보여준다. (Table 1.4)
▨ CWM으로부터 분리되어진 AG는 더 높은 수준의 branching을 가지고 있었다.
▨ (branched galactose : non-branched galactose 1 : 1.15 versus 1 : 3.5)
▨ 이 차이는 커피 생두에서의 AG polymers의 이질적인 population으로부터 초래된 것일 수 있다.
▨ Side chains에서의 unbranched galactose units의 알려지지 않은 량의 포함 때문에
    실제의 브랜칭 정도(actual degree of branching)은 결정될 수 없다 
▨ CWM AG에서 1-6 linked galactose의 indication도 없었다.

 

 

Free coffee bean AG는
▨ very soluble하다. 
▨ 수용액(aqueous solution)에 대해 많은 점성(viscosity)을 주지 않는다. 

이것은 전형적인 Type II AGs의 행태인데, 
▨ 예를 들어, larch wood(낙엽송) AG는   
    ca 40 000의 분자량 범위(000 (Prescott et al., 1995))에도 불구하고
    물속에서 50% (wt) 수준에서 쉽게 녹을 수 있다.
▨ 이런 높은 가용성(high solubility)은 
▨ the β(1-3) galactan main chain의 the open helical form에 기인할 수 있으며
▨ 수용액에서 inter- or intrahydrogen bonding을 위한 기회를 제한하는
     the frequent, irregular side chains에 기인할 수 도 있을 것이다.

그 polymer (유리 커피콩 아라비노갈락탄)의 높은 가용성(high solubility)에도 불구하고
커피 생두로부터 쉽게 추출할 수 있는 것은 아니다(not extractable).
▨ 예를 들어, 20% NaOH overnight at 1008C에서 가열 후에도, 
     arabinogalactan의 45%가 insoluble fraction에 남아 있었다. (Bradbury & Halliday, 1990). 
▨ 이는 그 polymer가 커피 세포벽 매트릭스의 덜 가용적인 성분들에 
           공유적으로 연결되어(covalently bound) 있음을 제시.

한 가지 가능한 후보는 protein(단백질) 인데, 
▨ 이는 특정 식품체제들에서 Type II AGs 에 공유적으로 연결되어 있는 것으로 알려져 있다  (Prescott et al., 1995). 
▨ Protease treatments는 AG extraction yield을 감소시켰지만, 
     polymer의 많은 것이 insoluble하게 남았다(Bradbury & Halliday, 1990).

 

Coffee AG의 정확한 화학 구조는 
▨ 아직 정의되지 않은채 남아 있다. 
▨ 이를 더 자세히 설명하기 위해서는, 
     먼저 the matrix-AG linkages의 본질(nature)을 파악하고 그리고 
     그것들을 쪼개어(cleave) 그 폴리머의 가용화를 가능케 하기 위한 
        화학적 또는 효소적 처리를 활용함으로써 
        고순도 물질(a high purity preparation)을 얻는 것이 필요하다.
▨ Gel permeation chromatography이 
      순수한 물질(pure preparations)을 만들어내는데 사용될 수 있다.
      이는 특정한 가수분해 효소와 결합하여 사용되는 세부구조 분석에 의해 
             특성 파악이 될 수도 있을 것이다. 

 

(b) Mannan structure

 

Wolfrom and Patin (1961)의 연구
▨ 커피 생두로부터 분리되어진 mannan의 최초의 구조적 특성 분석이었음. 
▨ 그들의 분리된 폴리머는   
▨ a β(1-4) linked mannan으로 파악되었는데,   
▨ 거의 7000의 분자량을 가지고 있었고 
▨ 47 mannose units 마다 one galactose unit side chain, 즉
                                        one galactose unit per molecule를 가지고 있었다.
▨ 이 mannan은 커피 생두 dry bean의 5%를 차지했고,
    따라서 전체 생두 콩 mannan의 20%에서 25%를 차지하는 것으로 나타났다.

 

Bradbury and Halliday (1990)의 연구
▨ 이들도 robusta 생두들로부터 a linear mannan을 분리해내었다.
▨ 이는 콩 중량의 9.5%의 yield에서 훨씬 더 적은 수의 galactose side chains (ca 1 in 130)을 가지고 있었다.
▨ 이 mannan은
    a series of extraction steps prior to extraction with 10% alkali and
    subsequent neutralization with HCl에 의해
    생두 홀로셀룰로오스(holocellulose)로부터 얻어졌다. 
▨ 그리하여 the total bean mannan의 약 반 가량이 
    매우 적은 수의 galactose side chains를 가진 
     a linear β(1-4) linked polymer인 것으로 나타났다. 

Bradbury and Halliday는
또한 그들의 total bean structural analysis에서 mannan side chain activity의 증거를 보였다.
▨ 전체 콩 구조분석 : (1 in 18 mannose units linked at the C-2 position; 
                                1 in 16 mannose units linked at C-6).
▨ 그러나, 어떠한 분리되어진 fractions에서도 그런 side chains의 증거를 보이지 못했다.
▨ 그들의 관찰을 the mannan fraction에 대한 
                         possible undermethylation으로 기인시켰다.

 

Fischer et al. (1999)의 연구 
▨ soluble CWM preparation(가용성 세포벽 물질)으로부터 
    arabinogalactan이 없는 mannan fraction을 얻기 위해
    수산화바륨을 이용한 석출(precipitation with barium hydroxide)를 사용했다.
▨ 구조 분석 결과,
       30개의 mannose units에서
       약 1개의 C-6 position 상의 싱글 유닛 galactose side chains를 나타냈음
       (single unit galactose side chains at the C-6 position of about 1 in 30 of the mannose units.). 
▨ End-group analysis (frequency of terminal mannose units) 결과
    약 3500이라는 그 폴리머의 저평균수 분자량을 재확인했다.

 

또 다른 연구(see Section 1.3.2)에서 구조분석은 또한

▨ galactose side chain density는 
    insoluble fractions에서의 경우와 비교할 때
    roast coffee extracts에서 발견된 the soluble mannan fraction에서 더 높은 것으로 나타났다.
▨ 증거는 화학구조의 차원에서 볼 때,
    coffee bean mannan molecules는
    galactose side chains의 frequency가 일반적으로 매우 낮은 치환되지 않은 mannan과
    치환된 mannan들의 이질적 혼합물로 존재한다는 것을 말해준다.
     (a heterogeneous mixture of unsubstituted and substituted mannans)로 존재한다.  
▨ Galactose substitution levels은
     로스트 커피에서의 고분자량 탄수화물 섹션에서 더욱 자세하게 논의됨. 

 

'mannan'과 'galactomannan' 두 가지 모두가
coffee polymer에 관한 문헌들에서 사용되며, 구조분석들에 기초하는데,  
두 용어의 사용에 대한 타당한 이유가 있다.
▨ 대다수의 커피 폴리머 분자들에서
    낮은 수준의 galactose substitution과 비교적 낮은 분자량들이
    일반적으로 mannan이라는 용어를 지지한다.
▨ 그러나, galactomannan도
    그 낮은 함량, 더 높은 갈락토오스 측쇄 밀도(galactose side chain density),
    배전커피와 솔루블 커피 추출액에서 발견되는 가용성 폴리머(soluble polymer) 때문에
     ⇒ 적절한 명명법(nomenclature)이다. (see Sections 1.3.2 and 1.4.2).

 

(c) Other polysaccharides

 

셀룰로오스
▨ 수분함유 에탄올 추출(aqueous ethanol extraction)에 의해 제당된(desugared) 
     커피 생두의 당화(saccharification)에 의해 만들어진 포도당(glucose)는
▨ a β(1-4) linked glucan라는 셀룰로오스(cellulose)로부터 모두 파생된다
     (Bradbury & Halliday, 1990; Trugo & Macrae, 1985)
▨ 3가지 아라비카 커피들에서 glucose 함량들이 6.7%에서 7.8%, 그리고
    3가지 로부스타 커피들에 있어서의 glucose 함량들이 7.8%에서 8.7%로 결정되었다 (Table 1.3).

비록, 생두들의 산의 가수분해산물들(acidic hydrolysates) 내에서의 xylose와 rhamnose와 같은
         소량의 단당류 존재가 다른 폴리머들의 증거를 제공하지만,
▨ 그 값들이 아라비카와 로부스타 타입들에 있어서 비슷하였고,
     각각 평균 0.2%와 0.3%였다(Bradbury & Halliday, 1987). 

따라서, starch 와 pectin과 같은 식물계에 공통적인 다당류는,
▨ 익은 커피 콩들에서 있더라도 낮은 수준에서만 존재한다.
▨ 가수분해에서 xylose를 만들어내는 다당류를 함유한 것으로 알려진
    커피 생두에서 소량의 잔여 파취먼트(residual parchment)는 무시될 수 없다고 제시된 바 있다.  

 

 

 1.3  ROAST COFFEE

 

 1.3.1. Low molecular weight carbohydrate

 

Sucrose는 
    ▨ 로스팅 동안에 ➡ 급격하게 분해되고,(rapidly degraded) 
    ▨ ‘normal’ roast coffee에서 수크로오스 함량은 아주 적다.

 

Trugo and Macrae (1985)의 연구
   아라비카와 로부스타 샘플 모두에서 sucrose loss (수쿠로오스 손실)가
    ▨ 약배전의 경우 ➡ 약 97%였고
    ▨ 강배전의 경우 ➡ 약 99%였음을 보였음.

Hughes and Thorpe (1987)의 연구
sucrose 함량 발견 :
  ▨ 2가지 전통적으로 배전된 커피들에서 ➡ 0.24%와 0.33%, 그리고
  ▨ 2가지 전통적으로 배전된 디카페인드 커피들에서 ➡ 0.08%와 0.11%.
Sucrose hydrolysis 산물들인 glucose와 fructose는
  roasting 동안에 형성되지만,
  ▨ 이 환원당들(reducing sugars)는 수쿠로오스 자체보다 훨씬 더 빠르게 열 분해되어,
       normal roasts에서 그들의 함량도 아주 작다. 

 

Noyes and Chu (1993)의 연구
▨ 21가지 배전된 브라질 아라비카/로부스타 블렌드들에서 단 0.1%의 sugars 총 평균을 발견,
▨ 이 가운데 대부분은 0.08% 함량을 가진 sucrose이었다.
▨ Mannitol 함량은 0.017%였는데,
    이는 로스팅 동안의 이 polyol의 어떤 분해를 가리키는 것이었다(평균 생두 함량 0.027%).

Blanc & Parchett (1989)의 연구
▨ Fructose의 재배열에 의해 아마 형성되는 것인
    The keto sugar psicose이 배전 커피에서 낮은 수준들에서 검출되었다. 

 

Maga (1989)의 연구
▨ 글리코시딕 결합이 가수분해에 의해 분리되기 위해서는 물 분자가 필요하기 때문에
    고온 로스팅 조건 하에서는 非가수분해적 분리(non-hydrolytic scission)가 발생하여
    cellulose와 같은 과당류 또는 다당류의 열분해(pyrolysis)에 의해 얻어진 것과 같은
    anhydro-sugars(무수당)을 제공하게 될 수도 있을 것이라고 기대되었다.
▨ 그러나,
▨ 비록 배전 커피에서
     1,6-anhydro-glucose가 검출된 적은 있었지만(Bradbury, unpublished results),
     함량은 0.01% 보다 더 작았다. 

 

Franz and Maier (1994)의 연구
▨ 로스팅 중에 inositol phosphates(이니시톨 인산염)의
    dephosphorylation(탈인산화)이 발생했음을 보였다.
▨ 로스팅의 초기 단계들에서, hexaphosphate 함량이 감소했고
                                           penta-, tetra- and triphosphates 함량들은 증가했다.
▨ 로스팅의 더 높은 정도에서는, phosphorylation의 정도와 함께 감소하는 함량으로
                                              천천히 레벨이 떨어졌다.
▨ Dephosphorylation을 제외하고더라도, 그 화합물들은 비교적 안정적이었다 ;
    오리지날 생두 inositol phosphate 함량의 75%가 
    El Salvador sample에서 여전히 있었고, 16% organic roast loss까지 존재했다.
▨ Solubility은 phosphorylation의 정도가 감소함께 따라 증가했던 반면,
    전형적인 배전 커피 퍼콜레이션 조건들 하에서는 IP3는 완벽하게 soluble하였다 ;
    IP6 derivatives의 80%까지만 추출되었다. 

Bradbury & Balzer (1999)의 연구
▨ The atractyloglycosides KA I, II and III가 로스팅 중에
    상응하는 carboxyatractyloglycoside 형태들의
    quantitative decarboxylation에 의해 형성되었다
▨ derivatives는 훌륭한 stability를 가지고 있는 것으로 나타났고
    전형적으로 `normal' roast conditions 하에서 약 50% 정도만 분해되었다.
     (Maier & MaÈtzel, 1982; Bradbury & Balzer, 1999) (Table 1.2) 

 

 

 1.3.2. High molecular weight carbohydrate

 

커피 콩 세포벽들은  ➡ 두껍고, 콩의 견고성(hardness)의 원인이다. 

현미경 연구들은
▨ 전통적인 로스팅 조건들에서
    많은 세포벽 거시구조(cell wall macrostructure)가 살아남는다는 것을
    보여준바 있다(Wilson et al., 1997).

 

다당류가 ➡ 주요한 세포벽 성분들이기 때문에,
그것들은 로스팅에 대해 비교적 안정적일 것이며, 이것은 분석적으로 확인된 바 있다.

 

Bradbury and Halliday (1990)의 연구
▨ 다당류 연결들의 전형적인 메틸화된 당들(methylated sugars)의 GC ‘fingerprints’을
    제공하고자 하는 목적으로
    완벽한 커피 다당류 구조 분석 방법을 적용한 결과,
▨ 생두에 존재하는 모든 그 연결들이 로스팅 후에도 유지되었다.
▨ 그럼에도 불구하고, Thaler (1975) 그룹에 의해 선행적으로 이미 보여진 바와 같이,
    로스팅 중에 다당류 부분의 얼마간의 분해가 있다. 

 

로부스타 콩의 로스트 단계별 총 탄수화물 분석(Total carbohydrate analysis) 결과 (Fig. 1.3)
▨ 다당류 당 단위들의 상대적 불안정성(relative lability)이
     arabinose > galactose > mannose > glucose 순서였음을 보여줌.
▨ the AG side chains 상에서 a terminal unit으로서 주로 발생하는 Arabinose가 가장 불안정했음.
▨ Cellulose는
    자연의 가장 안정적인 다당류 가운데 하나이며,
    이것은 로스팅 중에
    아주 작은 결합 글루코오스 손실이 나타났다 (the minimal bound glucose loss). 

 

 

로스팅은 ➡ 커피 다당류의 추출가능성(extractability)을 향상시킨다.

Leloup and Liardon (1993)의 연구
▨ 95℃에서 arabinose-, galactose- and mannose-containing molecules의
    가용성(solubility)이
    콜롬비아 아라비카 생두에서는 ➡ ca 1 g/100 g 만큼
                               배전두에서는 ➡ ca 6 g/100 g 로 증가되었는지를 보였음.
▨ Arabinogalactan은
    arabinose, arabinose-containing oligomers로서 또는
    reduced molecular weight polymer(생두에 비교했을 때)로서 용해되었다.
▨ 추출된 폴리머에서의 Ara/Gal 비율은
     1:7 (green beans)에서 1:12 (roasted beans)로 감소되었다.
▨ Galactomannan (and/or mannan) 추출은
    생두에서는 무시할 정도였지만,
    배전두에서는 95 ℃에서 ca 2.5%가 추출될 수 있었다(콩 중량 기준, 그리고 콩 폴리머의 약 12%).
▨ Size exclusion chromatography는
    배전 커피 추출액들에서의 the Agand galactomannan-derived fractions는
    분자량이 각각  200~50,000과 800~80,000의 범위에 달했다. 

 

Bradbury (unpublished results)의 연구
▨  3가지의 배전된 커피 샘플들을 추출하여, 에탄올을 더했다(수용액 1에 3배 분량으로).
▨  Fehling's solution으로의 precipitation(석출, 침전)을 통하여 분리되어진
     a mannan-rich preparation(맨낸이 풍부한 물질)으로부터 
     a polymer fraction(폴리머 부분)을 석출하기 위해서였다.
▨ 연결 분석 결과
    ⇒ 3가지 샘플들의 경우 12.9에서부터 26.4까지에 이르는
        a degree of branching를 나타냈다 (Table 1.5).
    ⇒ The proportion of end units은
        14.8과 26.2 사이에 이르는 number average DPs (degrees of polymerization)를
        가리켰는데
    ⇒ 이는 위에서 주어진 the size exclusion chromatography profiles에서 도출된 값들보다
        상당히 더 낮았다.
▨ 그 분리되어진 혼합물들은 the total roast bean mannan의 5% 보다 더 적었고
                                         the whole mannan structure를 나타내지도 않았다.
▨ the side chain branching density가
    사용된 조건들 하에서 추출되지 않았던 the major residual fraction에 비해
    the soluble mannan fraction에서 더 높았다.

 

 

Navarini et al. (1999)의 연구
▨ 강배전 아라비카 추출액들 (90℃에서)로부터 polysaccharide-rich fractions을 분리하기 위해
     a detailed fractionation scheme을 사용.
▨ Fractions는 total carbohydrate analysis에 의해 특징 분석되었고
▨ the bound monosaccharide residues에서의 linkage positions를 식별하기 위해
    1H and 13C NMR이 사용되었디.
▨ 커피 추출액에 ammonium sulphate를 추가하여 precipitate를 만들어냈고,
    이는 다시 녹여져 투석되어 isopropanol로 처치되어 Faction A를 만들어냈다.
▨ [결과]
    ⇒ 75%의 몰 퍼센트(molar percentage)를 가지고,
         mannose는 이 fraction의 주성분이었으며, 콩들로부터 2.2% yield에서 얻어졌다.
    ⇒ Fraction A는 0.1M NaOH (3 h, room temperature)로 처치되었고
        후속의 dialysis step 동안에 석출되어진 물질의 12.4%가 Faction Ans를 제공했다.
    ⇒ 이 fraction은 96.3% carbohydrate를 함유했고,
        이중 95%(molar basis)이 bound mannose였다.
    ⇒ 비록 저자들은
        불용화가 bound proteinaceous material의 alkali-induced removal의 결과였다고
        제시했지만, 불용화의 이유는 분명하지 않았다.
    ⇒ 다른 가능성은 결정화(crystallization)에 의한 mannan의 불용성 형태의 형성이다. 

 

Navarini et al. (1999)의 연구
▨ 저자들은 galactose and arabinose residues가
    그 mannan polymer와 공유적으로 연관되어져 있다고(covalently associated) 했지만,
    그들의 낮은 함량 때문에, 그들은 구조적 증거를 얻을 수 없었다. 
▨ Barium hydroxide(수산화 바륨) 석출물(precipitates) β1-4-linked mannan과 (Wolfrom et al., 1961)
    그리고 
    Fraction As (freeze-dried supernatant after removal of Fraction Ans)를
    이 reagent로 처치하면
    a sediment와 가용성 polymer를 만들어냈다. 
▨ 후자에서의 몰 퍼센트는 76.9% galactose, 13.4% arabinose, 그리고 9.7% mannose였다.
▨ Linkage analysis는
    앞서 설명된 coffee AG의 구조적 특징들과 잘 부합되었다 (Bradbury & Halliday, 1990).
▨ 그 저자들의 주장은
    그들 연구의 발견사항들은 커피 생두 다당류로 외삽(추정)되어질 수 있으며, 그리고
    그들의 어푸로치를 생두 샘플로 적용하는 것이 흥미로울 것이라는 것이었다.
▨ 그러나, that roast-induced structural changes은
    polysaccharide fraction에서 특히 이 연구에서 사용된 강배전 조건들의 관점에서
    유도되어질 수 있다는 것이 고려되어야 한다. 
▨ 또한, 이 연구에서 분리되어 나온 다당류의 구조들은
    total coffee bean polysaccharide의 비주요 부분(minor part)만을 나타내며
    반드시 whole fraction의 특징인 것은 아니다. 

 

 

 1.4  SOLUBLE COFFEE

 

 1.4.1. Low molecular weight carbohydrate

최근에, 상업용 솔루블 커피 제품들의 당 성분분석 분야에서 많은 량의 활동들이 있었다.
이는 먼저 엄청난 범위의 커피-기본적 솔루블 제품들이 상업적으로 구입가능하며 
        그 분류를 위한 분석 수단들을 가져야 할 필요가 있다는데 기인할 수 있으며, 
둘째, 한 제품 내의 커피 이외의 성분들의 존재를 모니터하고 
         불순물이 섞이지 않은 제품(non-adulterated products)에 대한 분석적으로 규정된 한계들의 정의를
         허용하는 방법을 설정할 필요성이 있기 때문이다.
고해상도의 민감한 탄수화물 분석 방법들의 등장이 이 분야에서 큰 효익을 제공하고 있다. 

Section 1.3.2에서 기술한 바와 같이,
    배전 커피와 상압에서의 그 커피 추출물(extracts)의 당 함유율은 낮다. 
상업용 솔루블 커피 프로세스들에서는, 사용되는 증가된 온도들이
   단당류 성분인 arabinose, galactose, mannose의 증가된 수준들에서 반영된
   다당류 부분의 가수분해로 유도한다. 

Noyes and Chu (1993)의 연구
▨ 브라질 아라비카와 로부스타 블렌딩 커피들을 
    2가지 단계들 (70℃와 190℃에서, 각각 20분)에서 추출했을 경우
    이런 환원당들의 생성은 배전 커피 대 솔루블 커피의 재료 balance data에서 분명하다.
▨ roast 커피와 해당 extracts의 평균 함유율(21회 측정)은 다음과 같았다 :
          arabinose ➡ 0.0042% and 0.666%,
          galactose ➡ 0 and 0.137%,
          mannose ➡ 0.006% and 0.36%.

 

Blanc et al. (1989)의 연구
▨ 아라비카와 로부스타 커피들에서의 유리 탄수화물 및 총 탄수화물 프로파일에 대한 
    오토크레이브 추출 시간과 온도(autoclave extraction time and temperature)의 효과를
    모니터했다 (100℃에서 ‘상압 추출’ 후에).  

▨ Table 1.6
▨ [arabinose] 결합 단당류 중 가장 불안정한 아라비노오스가 가장 쉽게 발산되었음.
▨ [galactose와 mannose] 추출 함유율은
        가장 심한 조건들 하에서(190℃, 240분) 탄수화물 분해가
        상당했을 때 까지 추출 시간과 온도에 따라 증가했다.
▨ [glucose와 fructose] 함유율들도 증가했고,
        일부 glucose는 하나의 가능한 원천인 atractylglycosides가 아니라
        roasting에 의해 부분적으로 분해된 cellulose에서 초래되었을 수 있을 것이다.
        나타난 fructose는 아마 glucose와 mannose의 열에 의해 이뤄진
        재배열 산물이었을 것이다.
          (1,2-enediol intermediate form을 경한 열적 재배열) 

 

Table 1.6 : 아라비카 배전커피에서 만들어진 오토클래이브 추출물들의 탄수화물 함유율

 

Leloup et al. (1997)의 연구
▨ 고온 조건들(180℃, 20분)에서 추출된 roast coffee extract의 탄수화물 조성에 대한
    배전도의 효과를 모니터했음.
▨ 비록 total extracted carbohydrate는
    light, medium, dark roasts의 경우에 있어서 비슷했지만,
    type과 size distribution 모두에 있어서는 탄수화물 조성은 유의한 차이를 보였음
    (Table 1.7, Figure 1.4).
▨ Light roast와 dark roast의 경우에,
    total yields는 arabinose + galactose의 경우가 ➡ 22.4%와 15.4%이었고
                         mannose의 경우에는 ➡ 8.7%와 16.0%이었다.
▨ 그러므로, AG는 분명히 더 높은 roasts에서 더 많이 분해되었으며
    이는 로스팅 중에 mannan보다 AG가 더 불안정했다(more labile)는
          선행 연구의 관찰들을 지지하였다.
▨ 비교적 안정적인 mannan은 거친 세포벽 매트릭스가 배전도 증가에 따라 약화되었기에
                                              더욱 accessible하게 되었다.
▨ HPLC는 모든 extracts에서 추출동안의 mannan hydrolysis를 가리키는
                  oligomannans DP 1 to 7의 존재를 나타냈다. 

 

 

 

Gerhard-Rieben et al. (1999)의 특허
▨ 커피 추출 프로세스 동안에 발생하는 가수분해 정도(degree of hydrolysis)를 가리키기 위해
    탄수화물 분자량 프로파일(carbohydrate molecular weight profile)을 사용했다.
     (3가지의 추출단계들과 열적 가수분해(thermal hydrolysis) 단계를 포함)
▨ 가수분해 = 다당류로부터 만들어진 단당류와 과당류의 함유율에서  분명한 가수분해는
                     열적 가수분해 단계에서 가장 많이 발생했음.

 

Zapp and Kuhn (1997)의 연구
▨ 상업적 솔루블 커피 샘플에서 DP 2에서 14까지 mannodextrins를 확인하기 위해
    MALDI-TOF mass spectrometry를 사용하였다.
▨ 각 올리고머는 doublet (sodium and potassium adducts)을
                         molecular weights에 올리고머  +23과 39를 각각 주었다 (Fig. 1.5)
▨ mannodextrins DPs 2, 3, 6, and 7을 사용하는 calibration에 기초한
    선형적 매스 피크 영역 반응/분자량 관계를 가정하여,
    (a linear mass peak area response/molecular weight relationship)
     저자들은 샘플 속의 DPs 2 to 14의 함유율들을 측량할 수 있었다.
▨ 분리(separation)가 molecular weight에 기초하였기 때문에,
     galactose가 그 올리고머들에 존재했는지 여부를 가릴 수 없었다.
▨ 비록 그 샘플 내의 total arabinose 함유율이 3.65% 이었지만,
    arabinose를 함유하는 올리고머들의 증거는 없었다
     (molecular weight가 모든 bound arabinose unit의
      상응하는 순수 oligohexaose 보다 30 더 작을 것이다)
▨ 샘플 내의 total galactose 함유율과 total mannose 함유율은 각각 17.11%와 16.09%이었다.

 

 

Noe et al. (1999)의 연구
▨ 솔루블 커피 내의 환원당들이 capillary electrophoresis를 사용하여
    chiral phenylethylamine으로 derivatization(유도체화)한 후에
    그것들의 enantiomers로서 결정되었음.
▨ 솔루블 커피의 탄수화물 프로파일링이 상업용 솔루블 커피 제품들 내의
     husks와 같은 커피콩 이외의 불순물들(adulterants)의 존재 식별 수단을 제공한다.

 

Blanc et al. (1989)의 연구
▨ free glucose와 free fructose의 값들이
    husks가 추출 이전에 커피에 추가되었던 제품들에서 더 높았음을 보였다.
▨ 이들은 또한 酸가수분해(acid hydrolysis) 후에 xylose 함유율을 포함시킴으로써
    로스트된 hulls의 존재를 검출할 수 있었는데,
    환원당들인 glucose와 fructose의 함유율이 분해 때문에 훨씬 더 낮았다. 

Davis et al. (1990)의 연구
▨ carbonydrate alcohols인 inositol과 mannotol(나중에 커피에서 처음으로 식별되었음)의 레벨들을
    그것들의 trimethylsilyl derivatives에 대한 GC analysis에 의해 측정하였는데,
    역시 husk extracts의 존재에 의해 증가되었다.
▨ 그 산물에서 0.3%를 초과하는 mannotilo level이 husk 포함의 증거인 것으로 나타났다.

 

Berger et al. (1989)의 연구
▨ 효소적 방법(enzymatic method)을 사용하여 3가지 다른 조건들 하에서
     솔루블 커피의 glucose 함유율과 fructose 함유율을 확인하고자 하였다.
        (그 자체, 약산 및 강산 조건 하에서의 acid hydrolysis 후)
▨ 이런 방식으로, 이들은
    figs, maltodextrins, glucose syrups, starch, unroasted husks, parchments와 같은
    이물질들에 더하여
▨ 치커리(chicory) (존재하는 inulin이 weak acid hydrolysis에서 fructose를 생성했음) 시리얼 제품들,
    그리고 카라멜과 같은 불순물들의 존재를 정립할 수 있었다.
▨ 그러나 이 방법은 불순물들의 유형을 파악하거나 그 양을 결정하기 위한 것은 아니었다. 

Noyes et al. (1991)의 연구
▨ 통계적 디자인을 사용하여
    솔루블 커피들에서의 탄수화물 프로파일들(trimethylethers에 대한 GC에 의해 결정되는)에 대한
    husk type과 함유율, coffee blends, degree of roast, 그리고 extraction conditions의
    기여를 모니터 하고자 하였다.
▨ increased husk levels가 total xylose, mannotil, free glucose and fructose의 더 높은 함유율로
     이끌었다는 선행 연구를 확인하였다.
▨ 다른 요인들은 영향이 더 적었고 탄수화물 수준들에서의 상당한 차이(variation)이
    일단의 샘플들에 걸쳐 관찰되었다.
▨ 그들은 원재료들과 프로세싱 조건들에 대한 정통한 지식이
    제품 한계들을 설정하기 위해 필요했다고 요약하였다. 

 

Prodolliet et al. (1992)의 연구

▨ pulsed amperometric determination (펄스 전류측정, 암페로메트릭)을 장착한
    high-performance anion exchange chromatography (고성능 음이온 교환 크로마토그래피)의 등장은
    솔루블 커피 내의 탄수화물 결정을 크게 용이하게 하였다.
▨ 이 기술은
     pellicular anion-exchange polystyrene-divinylbenzen resine separative column의
     독특한 해상도와 (박피 음이온교환 폴리스틸렌-다이비닐벤젠 수지 분리 컬럼)
     amperometric detector (전류측정 검출장치)의 민감도 및 구체성을 결합한다.
▨ 분석은 alkaline conditions 하에서 수행되었는데,
    모든 관련 저분자 탄수화물들의 완전한 프로파일들이 1회 가동에서 작성될 수 있다.
▨ Fig. 1.6과 Fig. 1.7이
    free carbohydrate (before hydrolysis)과
    total carbohydrate (after hydrolysis) 프로파일들을 보여주고 있다.
▨ 이 방법은 솔루블 커피의 탄수화물을 특징화하기 위해
    일련의 세부화된 연구들(Prodolliet et al., 1995a, 1995b)에서 그리고
    실험실간 연구에서도 (Prodolliet et al., 1995c)에서도 사용되었고,
    이 목적을 위한 표준적인 방법으로 International Standards Organizations에 의해 채택되었으며 (ISO  1292),
    Association of Official Analytical Chemists (AOAC)에 의해 첫 액션으로 채택되었다.
▨ 몇몇 연구자들이 이 테크닉을 솔루블 커피에서의 탄수화물 프로파일링을 위해 사용했다. 

 

 

Oestreich-Janzen (1995)의 연구
▨ HPAEC (high-performance anion-exchange chromatography) method와
    양이온-교환 컬럼을사용한 HPLC procedure
    두 가지 모두를 사용하여
    다양한 커피 대체품들과 커피와 유사한 음료들의 포괄적인 프로파일들을 제공하는데 사용할 수 있었다.

 

Kundel et al. (1998)의 연구
▨ oxime/trimethylsilyl derivatives에 관한 GC analysis에 의한
    올리고당 프로파일링이
    커피 함유 음료들에서의 치커리 및 몰트로부터 파생된 고형물질들을 보여주는데 사용되었다. 

 

AFCASOLE (the European Soluble Coffee Manufacturer’s Association)에 의해
      관련 저분자 탄수화물들에 대한 허용가능성 한계치들이 정의되었는데,
      이는 영국 농어업-식품성이 발행한 발행물에 기술되어져 있다 (Table 1.8)
         (the British Ministry of Agriculture, Fisheries and Food (MAFF, 1995)

▨ MAFF에 의한 한 주요 서베이에서는,
    ISO 절차를 사용하여 결정된 344개의 상업용 솔루블 커피들의
    free and total carbohydrate profiles와 권고된 한계들은
    그 커피들 가운데 50가지(약 15%)가
        1개 이상의 지표 탄수화물들의 경우에 있어서 97.5% confidence level을 초과했고
         따라서 불순물들이 섞인 것으로 간주되었다.
    ▨ 불순물이 혼합된 커피들은 크게 2가지 그룹들로 나뉘었다 :
        = 높은 total xylose and glucose (skins 또는 husks로 혼합되었음을 가리킴)을 나타낸 것
        = 높은 total glucose 함유율과 낮은 xylose 함유율(전분-기초 물질로 혼합된 것)을 나타낸 것.

 

 

 

 1.4.2. High molecular weight carbohydrate

 

Section 1.4.1에서 기술된 바와 같이 다당류 부분의 상당한 가수분해가 추출 동안에 발생하지만,
연구들은 상업적 조건들 하에서 얻어진 커피 추출물들(extracts)에서의
               중합적 탄수화물들(polymeric carbohydrates)의 존재를 가리켜오고 있다.
여기에는 솔벤트에 의한 침전 (Leoup et al., 1997),
              겔 투과 크로마토그래피(GPC)에 의한 분자량 결정들, 그리고
              Fehling’s solution을 이용한 다당류 함유 mannose 및 galactose의 침전 (Ara & Thaler, 1976) 등이 포함된다

Thaler’ group (1975)에 의한 초기의 연구들에서는 그리고 더욱 최근에는
Leloup and Liardon (1993)의 연구들에서는 
      extract yield/temperature (추출물 수율/온도) 및 bean type의 함수로서의
      다당류의 추출가능성(extractability)이 집중적으로 탐구되어졌다

 

Ara and Thaler (1976, 1977)의 연구
▨ Fehling’ solution을 사용하여
    몇 가지 roast colors에서 arabica 및 robusta 콩들로 마련된 커피 추출물(extracts)로부터
    일련의 complexes를 침전시키고자 하였다.
▨ 산 가수분해생성물(acid hydrolyzates)에 관한 분석 결과
    mannose가 지배적인 헥소스이었지만, 비교적 높은 수율의 galactose도 역시 얻어졌다.
    모든 galactose는 mannan에 결합되어있다는 가정에서, degree of branching은 비교적 높았다.
    Mannose : galactose 비율은 light 로스트에서 dark 로스트까지
                     arabica의 경우 3.0:29.5 (santos), 9.5:21.3이었고
                     robusta의 경우 1.7:10.0 (Ivory Coast), 1.55:13.2 (Angola)이었다.
▨ 로부스타들이 더 높은 측쇄밀도들을 나타냈다 (higher density of side chains).
▨ 비록 로스팅이 더 낮은 측쇄빈도들로 이끌었지만(lower side chain frequency),
    일정한 추출 수율의 범위(Santos 아라비카의 경우 36.4~53.2%, Angola 로부스타의 경우 38.8%)에 걸쳐
     분리되어진 mannans의 경우에는 유의한 차이를 나타내지 않았다.
▨ 그러나, mannan polymer에 대한 galactose의 공유결합(covalent linkage)은
                이 연구들에서는 증명되지 않았다.
▨ 상업용 솔루블 커피 추출 프로세스에서 용해되는 mannan polymer에서
     galactose substitution의 level은
     whole mannan fraction의 substitution의 평균레벨, 즉
      남아있는 추출되지 않은 부분의 substitution의 레벨 보다 더 높다는 것은 분명하다.
▨ Clifford (1985)가 이미 제시한 바와 같이,
    이것은 mannan fraction에 more solubility를 부여할 것이다. 

 

Leoup et al. (1997)의 연구
▨ 커피 오토클레이브 추출물에의 에탄올 추가에 의해 형성되는 침전물들은
     light, normal, dark 로스트에서 도출된 샘플들의 경우에
     mannose 보다는 어느 정도 더 많은 galactose를 나타냈다.
▨ 이것은 
    비록 추출 동안의 가수분해 때문에 대부분 샘플들의 분자량이
    아마 oligosaccharide size 범위에 있었지만,
    arabinogalactan-derived polymer material의 존재를 가리켰다.
    상업용 추출 프로세스 후에 남아있는 잔여 고형물질들(‘spent grounds’)는
    a large polysaccharide fraction을 가지고 있다. 

Stahl and Turek (1991)의 연구
▨ 상업용 가루들(mannan 함유율 25%, cellulose 15%)의 산 가수분해(acid hydrolysis)를 활용하여
    mannan을 변환하여 mannose를 만들어내는 프로세스를 설명했다.
▨ 후속의 환원 단계(reduction step) (hydrogen/reduced nickel catalyst)는
    mannitol로의 변환에 대해 설명되었다.
▨ 그들은 mannan polymer의 acid hydrolysis가 cellulose의 경우보다
    어떻게 유의하게 더 빠른지를 보였으며,
    적용되는 반응 조건들이 수정되어 동시발생 셀룰로오스 가수분해가 매우 적은
    mannan conversion사 되도록 하였다.
▨ mannose hydrolyzate의 생산을 위한 관련 프로세스도 역시 개발되었다 (Fulger et al., 1985)
      (또한 본서의 Chapter 6의 Section 6.2.11도 참조).

 

 

 1.5 REACTIONS OF CARBOHYDRATES ON ROASTING

 

커피 콩 내의 sucrose는 ➡ 로스팅 동안에 빠르게 분해된다.

일찍 발생하는 반응 산물들에는
    ⊙ invert sugar (전화당, 수크로오스가 가수분해되어 생긴 과당과 포도당의 혼합물)
    ⊙ fructose (과당)
    ⊙ glucose (포도당)
    ⊙ 1,6,anhydro-glucose
    ⊙ arabinose
    ⊙ erythritol → (2R,3S)-butane-1,2,3,4-tetraol
                        → sugar alcohol (polyol)의 일종

 

그 다음에 이들 1차 반응 산물들은 많은 방식으로 반응한다 :

Fragmentation 
분열하여 지방족 산류(aliphatic acids)와 같은 저분자량 산물들을 형성한다.
커피 콩 로스팅 동안에 생성되는 대부분의 산들은 초기단계들에서 형성된다.
Ginz, et.al.(2000)는 탄수화물 분열, 특히 sucrose의 분열이 주요한 전구물질임을 밝혔다.  
탄수화물로부터 생성된 주요 산들은 (생성된 몰 양이 많은 순서대로)
    ⊙ formic acid,
    ⊙ acetic acid,
    ⊙ glycolic acid,
    ⊙ lactic acid이었다.

 

Dehydration (caramelization)

탈수(카라멜화)는
hydroxymethyfurfural과 같은 많은 헤테로고리 화합물들(heterocyclic compounds)을 형성한다.
이 부류의 많은 화합물들은 휘발성이며 커피 아로마에 대한 매우 중요한 공헌물질들이다.
이들 중 일부는 반응성이어서
                        중합하여 melanoidin-type 분자들을 생성하게 할 수 있다 (Tressl et al., 1998).

 

Maillard reaction
amino acids 또는 protein과의 상호반응으로
중합체이거나(melanoidins) 또는 저분자량일 수 있는 Maillard products를 만들어낸다.
Low molecular weight products는
      ⊙ 휘발성 아로마 화합물들(volatile aroma compounds)로서
      ⊙ 비휘발성 맛 화합물들(non-volatile taste compounds)로서
           ----- 커피 플레이버에 대한 중요한 공헌물질이다.
Maillard reaction products는 ➡ 갈색 산물 색상의 원인물질이다. 

 

반응할 수 있는 Carbohydrate 분해 산물들은
▨ 커피 protein 내의 기초 아미노산들(amino acids)의 측쇄들(side chains)과 반응할 수 있다. 

Henle et al.(1996)의 연구
▨ 전체 arginine의 30%까지가 methylglyoxal(메틸글리옥살)과 반응하여
     bound imidazolinone를 생성한다고 주장했다 (Ⅰ, Fig. 1.8).

Henle et al.(1997)은 같은 실험실로부터 나온 다른 논문에서
▨ roasted coffee에서 pentose(arabinose in coffee)에 의해서
    하나의 arginine과 하나의 lysine residue가 서로 연결되어 있는
    crosslink amino acid인 Pentosidine을 검출하였다. (Ⅱ, Fig. 1.8).
▨ pentose(arabinose in coffee)와의 반응에 의해서
    arginine과 lysine side chain의 반응에 의해 형성된 cross-link가 검출된 것이다.

▨ 비록 농도는 낮았지만, 이 반응은 melanodines의 형성에 공헌할 수 있을 것이다.
▨ 이 반응 산물들은 amino acid analyzer을 사용하고 
     proteins의 분석을 위해 acid hydrolysis를 사용하여 검출되었다.
      (for a sample containing 40~50 mg of protein; 6N HCl 10ml, 110℃, 23h).

 

갈색의 복합적인 멜라노이딘 부분은
▨ 커피 음료의 약 30%까지를 차지할 수 있고, 다양한 연구 주제였다.
▨  커피에서 chlorogenic acids도 공헌하지만,
      carbohydrate와 protein이 melanoidine 형성의 주요 전구물질들이다. 

 

 

Hofmann (1998)은 한 포괄적인 계속적 연구에서 
▨ Melanoidin 형성에 개입하는 화학적 메커니즘들을 탐구해왔다.
▨ 그는 그의 연구와 다른 최근의 연구들에서 발견된
     amino acids와
     carbohydrates 사이의 Maillard reactions에 의해 형성되는
     늘어나는 수의 색상이 있는 저분자량 화합물들에 주목하게 해왔다. 
▨ 어떤 엽록체들이 non-colored protein의 lysine side chains에 link할 수 있는 능력
    따라서 colored melanoidin-type polymer로 유도하는 능력을 보여주었다.

 

Hofmann (1999)
▨ 이 연구들은 또한 melanoidine 형성에서 다른 중요한 단계는
    protein units 간의 radical containing linkages (래디컬 함유 연결)의 형성이었다고 제시했다.
▨ proteins와 glyoxal 간의 모델 반응 연구들에서,
    a free radical containing protein bound cross-link (CROSSPY)가 확인되었다. (III,  Fig. 8).
     (└ 자유래디컬 함유 단백질이 결합된 크로스-링크)
▨ 그 cross-link의 free radical signal는
    roasting 조건들 하에서 CROSSPY를 형성하기 위해서는
    carbohydrate degradation product로 알려진 glyoxal과
    lysine side chains의 반응을 해야 하는
    원두커피에서 검출된 것과 닮았다 (Hofmann  et al., 1999). 

 
Gonis et al.(1995) 연구
▨ 전자스핀공명(Electron spin resonance) 측정을 사용하여
▨ 메탄올 추가로 형성된 침전물(precipitate)이 
     솔루블 커피 샘플에서 검출된 대다수의 자유 라디컬들을 가지고 있음을 확인했다.
▨ ┏그 플랙션의 주요 구성요소로서 탄수화물의 분광학적 식별(spectroscopic identification)과,
     ┗ Sucrose의 열처리(thermal treatment)에 의해 얻어진 자유라디컬 스펙트럼의 유사성,
          이 두가지가
          커피제품에서 탄수화물이 자유 라디컬들의 前驅物質이라는 것을 제시했다.

 

Steinhart and Packert (1993)의 연구
▨ 아라비카 배전커피와 로부스타 배전커피의 열수 추출액으로부터
    멜라노이딘들을 분리하기 위해 겔 투과 크로마토그래피(gel permeation)을 사용했다.
▨ 각 샘플은 4가지의 colored fractions에 분자량 1000달톤에서 60000달톤 범위에 해당하는
    peak retentions를 부여했다.
▨ 각 플랙션을 별개의 밴드들로 분리하기 위해
    예비적 박층 크로마토그래피(preparative thin layer chromatography)가 사용되었으며,
▨ 별개의 밴드들로부터 추가적인 subfractions가 구해졌다.
▨ Acid hydrolyzates(산 가수분해산물들)에 대한 분석 결과, 
    주로 멜라노이딘 내의 다당류가 원천이 되는 결합탄수화물(bound carbohydrates)의 존재가
    나타났다.
▨ Mannose는 고분자량 GPC fraction에서 지배적이었던 반면, 
▨ Galactose와 arabinose, glucose 그리고 약한 정도로 rhamnose는 
    저분자량 플랙션들에 집중되었다.
▨ 처치되지 않은 콩(untreated beans)에서 얻어진 GPC 패턴들 간에는 유의한 차이가 없었고,
    그리고 로스팅 전 스팀으로 사전 처리되었던 콩들에서 얻어진 것들 사이에
    유의한 차이는 없었다(Moller & Steinhart, 1993).

 

다당류의 많은 부분들이 로스팅의 나중 단계들에서 분해되기 때문에
▨ 많은 그 분해 산물들이 고분자 멜라노이딘 산물들로 포함되어질 것으로 기대된다.

 

분리(scission)가 로스팅 프로세스의 조기 단계들에서 시작하는 AG polymer에서
   불안정한 말단 아라비노스 유닛들(labile terminal arabinose units)을 기대할 수 있을 것이다.

 

Stahl and Parliament (1993)은
▨ 이 프로세스가 중요한 아로마 화합물인 푸르루랄 메르캅탄(furfural mercaptan)의 형성에 관련되었다고 한 바 있다.
▨ 그들은 released arabinose가 물을 제거하여,
     protein-generated H2S와 반응한 furfural을 주었다고 제안했다. 

 

De Marion et al. (1995)도 
▨ 커피 생두로부터 분리해낸 sucrose가 제거된 다당류-풍부한 플랙션(polysaccharide-rich fraction)을
    로스팅에서 AG의 형성을 모니터링하여
▨ AG가 furfural의 전구물질이라고 제시했다.
▨ 탄수화물 物質收支(material balance)가
▨ 결합 아라비노스(bound arabinose)의 40%가 분해된 반면에
▨ 다른 탄수화물들의 수준들은 겨우 약간 영향 받았음을 가리켰다. 

 

De Marion et al.은 그 뒤의 논문에서(1996)
▨ 그들의 생두 추출물 분할기법(green bean extract fractionation technique)을 사용하여
▨ furfural과 여타 furans의 산출이
    커피 로스팅 동안의 다당류의 분해로부터 나오는 것보다
    sucrose의 분해에서 더 높았음을 보였다. 

 1.6 FUNCTIONAL PROPERITIES OF COFFEE CARBOHYDRATES

 

 1.6.1. Role in soluble coffee processing

 

(a) Extract viscosity

 

상업용 솔루블 커피 추출물들은  전형적으로 여러 가수분해 단계들에 있는 약 30% total carbohydrate를 함유하고 있다.    결과적으로 탄수화물의 물리적 특성들이 솔루블 커피 프로세싱의 핵심 요인이다. 상업용 솔루블 커피 고형입자들은 훌륭한 제품 안정성을 지원하면서도 프로세싱을 용이하도록 하는 분자량 분포를 가지고 있다는 것은 행운이다. 

다당류 부분의 완전한 가수분해는 더욱 높은 제품 흡습성(hygroscopicity)을 초래할 것이며, 더 높은 분자량들은 더 높은 추출물 점성(extract viscodities)을 부여할 것이다. 그럼에도 불구하고, high solids에서의 약간의 점성 감소는 추출물 프로세싱을 용이하게 할 것이다.

 

Coffee AG는 수용액에서 매우 낮은 점성을 가지며 Mannan 부분이 추정컨대 제품 점성에 더 공헌한다.

Ehlers (1980)은 mannanase 효소 처리가 스프레이나 냉동건조 이전에 더 높은 솔루블 함유율로의 증발이 용이하고 따라서 생산원가를 낮추면서 커피 추출물 점성을 얼마나 감소시켰는지 보였다.  

 

Jardine and Moretti (1993)은
▨ 가용성 고형물질 함유율이 45%와 62% 사이인 상업용 커피 추출물의 경우에 있어서 
    다당류를 가수분해하는 효소로의 커피 추출물 처리가 1.6 x에서 2.5x의 범위에서
   점성을 감소시켰다는 것을 보인 바 있다.
▨ 그들은 추출물의 냉동건조를 향상시키기 위해 그 처리를 사용했다.
▨ 솔루블 커피 프로세싱에서 점성 감소 목적으로
    커피 추출물에서의 mannan fraction의 분자량을 감소시키기 위해
    고정된 매넌-가수분해 효소(immobilized mannan-hydrolyzing enzyme)이 사용에 대한
    특허 적용이 부여되었다 (Nicolas et al., 1999, see also Chapter 6). 

 

(b) Sedimentation

 

신선하게 마련된 추출물의 프로세싱 동안의 침전물(앙금) 형성은  커피 산업에서 잘 알려진 현상이다. 

Bradbury and Atkins (1997)는
▨ 그런 침전물들(sediments)에는 주요 성분으로 mannan을 함유하고 있다는 것을 보였다. 
▨ 그들은 X-ray crystallography (결정학)를 사용하여
    그 폴리머가 프로세싱 동안에 불용성 형태로의 결정화를 겪었다는 것을 보였다.
▨ 그 결정화 과정은 더 높은 온도와 더 높은 추출물 농도들에서 도출되었다.
▨ 그 결정화된 mannan은 ‘mannan I’ type 즉 ‘Ivory nut’ mannan으로 확인된 타입이며
    보통 그 폴리머의 더 낮은 저분자 형태들에 연관되는 것으로 나타났다. 
▨ 결정화는 그 mannan 분자의 선형의 브랜치 되지 않은 부분들(linear, non-branched regions) 간의
                  수소결합(hydrogen bond) 형성에 기인했다. 
▨ 침전된 분자들의 낮은 total galactose 함유율은
    수소간 결합(interhydrogen bonding)과 결정 지역들(crystalline regions)의 형성을 촉진하는
    분자들 내의 긴 선형의 부문들을 가리키는 것이다.
▨ 다른 mannan 분자들은 쉽게 결정화하지 않으며
    그들의 구조 덕분에 즉 저분자량 및 더 높은 갈락토오스 측쇄들의 밀도 때문에
    추출물에서 녹은 채로 남아 있다. 

 

 1.6.2. Foam

Nunes et al. (1997)의 연구
▨ 에스프레소 거품의 안정성(stability of espresso foams)은 
    존재하는 다당류의 농도에 직접적으로 관계된다는 것을 보였다. 
▨ 브라질 아라비카와 우간다 로부스타로 만들어진 일련의 에스프레소 커피들의 경우에,
    각각 9.7과 7.65의 배전도들에서 (organic roast loss)
    최대의 거품안정성을 나타냈고, 최고의 다당류 함유율도 나타냈다.
▨ 다당류들은 ethanol을 사용하여 에스프레소 추출물들로부터 석출(촉발)되었고(55%와 75%)
    그들의 구성 다당류들이 acid hydrolysis, derivatization, GC에 의해
    결정되었다 (산출 순서대로 mannose > galactose > arabinose).
▨ 거품 안정화 효과는 galactomannan에 의한 추출출에 부여된 viscosity에 기인하였다.

 

Nunes & Coimbra (1998)의 연구
▨ 55% ethanol에서 형성된 석출물들에서 고분자 부분을 식별하였다
     (ca 2000 kDa, as estimated by GPC)
▨ 비록 이 부분의 함유율이 낮았지만 (total soilds의 0.3%에서 0.9%)
    그 함유율은 maximum foam stability에 상관되었고,
    우간다 로부스타 7.65 roast degree 샘플에서 최대에 도달했다.
▨ 다당류, 단백질, 페놀 화합물들(phenolic compounds) 사이에
    로스팅에 의해 유도된 연결들로 인한 복잡한 구조가 그 물질에 대해 제시되었다.

 

Petracco et al, (1999)의 연구
▨ Section 1.3.2에서 기술된 Navarini et al.(1999)에 의해
    dark roast coffee로부터 분리되어진
    다당류를 함유한 fraction A (ca 80% total mannose)이 탁월한 거품 안정화 특성들을 나타냈다.
        (See also Chapter 7). 

 

 

 1.6.3. Coffee fiber

 

커피 다당류들은 
▨ 포유류의 효소들에 의해 가수분해되지 않으며
▨ 따라서 식이섬유로서 기능적으로 작용할 잠재력을 가지고 있다.

 

Rao et al. (1998)의 연구
▨ Feeding 연구들이 배전 원두커피 추출물들이 ➡ colon cancer (대장암)을 낮출 수 있다는 것을 제시해왔다.