1. 서론 1.1. 커피
커피는 꼭두서니과 (Rubiaceae family)에 속하며, 크게 아라비카(arabica)품종과 로부스타 (robusta)품종으로 구분된다. 아라비카 품종은 향미가 풍부하고 카페인 함량이 0.4‐1.4%이다. 전 세계 커피 총 생산량의 약 76.4%를 차지하고 있으며, 주로 중/남미, 아프리카 인도네시아 등에서 재배되고 있다. 로부스타 품종은 전 세계 커피 총 생산량의 약 23.6%를 차지한다. 거칠고 쓴 향 미가 강하나 병충해에 강하고 생산량이 많고 아라비카 품종보다 가격이 저렴해서 저가의 인스턴트 커피 제조에 주로 사용되고 있다. 카페인 함량은 1.7-4.0%이며, 세계 최대 생산국은 베트남이며, 동남아시아, 인도, 중앙아프리카 등에서 주로 재배되고 있다. 커피는 오랜기간 많은 사람들이 음용 하는 대표적인 기호식품으로 전 세계적으로 하루에 25억 잔, 세계 인구의 70‐80%가 음용하는 대 중적인 음료이다(International Coffee Organization, 2001; Borreli et al., 2002).
기록상으로 우리나라에 커피가 처음 들어온 것은 1875년 고종 임금이 러시아 공사관에 피신하 였을 때 처음으로 접해보았다고 알려져 있다. 비공식적으로는 우리나라에 들어온지 150년이 넘었 을 것이라 추정되며, 현재는 녹차를 대신하여 우리나라에서 가장 대표적인 기호 음료로 자리잡고 있다. 우리나라의 커피 시장 규모는 2012년 기준으로 총 4조 1,300억 원에 이르며, 그 중 커피전
카카오와 커피를 이용한 기능성 음료 개발
정 윤 화 단국대학교 식품영양학과
문점이 차지하는 비중은 1조원을 넘고 있다. 한국의 커피 시장은 매년 10% 이상의 성장을 하였으 며, 지속적인 성장을 보일 것으로 전문가들은 전망하고 있다. 우리나라 국민 1인당 커피 소비량은 1975년 0.1 Kg에서 1988년 1 Kg 이상이라고 보고되었다(KCS, 2013). 2011년에는 하루 평균 300톤 이상의 커피가 소비되었으며, 이는 에스프레소 기준으로 3,700만잔 분량이다(KCS, 2013).
전통적으로 우리나라의 가장 큰 커피 시장은 세계 최초로 개발된 믹스커피이며, 이는 동결건조커 피, 설탕, 프림을 섞은 제품이다. 최근에는 에스프레소 커피를 기반으로 하는 카페 시장이 확대되 고 있으며, 점차적으로 커피 시장이 고급화 및 세분화 되고 있다.
커피는 기호성 식품으로 분류되고 있으나, 항산화 물질로 알려진 클로로제닉산의 가장 큰 공급 원으로 알려져 있다. 커피 연구에 대해서 커피의 기호성을 나타내는 향미 성분의 분석 뿐만 아니 라, 세계적으로 기능성 관련 연구도 다양하게 수행되고 있다. Hečimović 등(2011)은 로스팅 정도 에 따른 폴리페놀과 카페인 함량을 arabica 및 robusta 품종으로 나누어서 비교하였으며, Parras 등(2007)은 14종의 커피를 3가지 추출법을 이용하여 항산화 능력을 비교하였다. 또한 Vignoli 등(2011)은 인스턴트 커피의 로스팅 공정에서 항산화 능력과 총 폴리페놀 함량은 로스팅 시간에 반비례함을 밝혔다. 커피 생두와 로스팅한 원두의 항산화 능력을 로스팅 방법에 따라 비교한 연구 결과도 보고되었다(Nebesny and Budryn, 2003). 최근 국내 연구로는 Kim 등(2012)이 시판되 는 아메리카노 한잔에 페놀성 화합물이 63.83∼110.12 mg gallic acid 상당량이 함유되어 있다 고 보고 하였다.
1.2. 카카오
카카오는 초콜렛의 원료가 되는 아욱묵에 속하는 열대성 식물이다. 카카오 열매 하나에 20‐50 개의 씨앗이 들어있으며, 이것을 모아서 발효시킨 것을 카카오콩 이라 한다. 카카오콩은 갈색 빛 을 띠면서 독특한 향과 맛을 가지고 있다. 커피처럼 로스팅 과정을 거친 다음 분쇄 및 가공 처리 를 하여 코코아 음료 및 초콜렛 원료로 사용된다.
카카오콩은 멕시코 원주민들이 음료 또는 약용으로서 귀히 여기던 것으로, 15세기말에 콜럼버스 에 의해 최초로 유럽에 소개되었으며, 그 후 16세기 중반에 멕시코를 탐험한 코르테스가 에스파냐 의 귀족, 부유층에 소개하여 17세기 중반에 유럽 전역으로 전파되었다.
카카오의 단맛 및 쓴맛을 활용한 초콜렛은 카카오 콩으로부터 얻은 코코아버터, 코코아매스, 코 코아 분말 등에 식품 또는 식품 첨가물을 가하여 가공한 초콜렛, 스위트 초콜렛, 밀크초콜렛 등을 말하며, 전세계적으로 대표적인 기호 식품으로 자리 잡아 왔다. 그러나 초콜렛의 경우 웰빙이라는 현재의 식품 트랜드에 비추어 봤을때 고지방, 고열량, 고당질의 제품이라는 단점을 가지고 있다.
카카오는 다량의 폴리페놀을 함유하고 있다. 폴리페놀은 식품의 2차 대사 산물로서 2개 이상의 페놀성 히드록실기를 포함하고 있는 화합물을 통칭하며, 녹차에 든 카테킨, 포도주의 레스베라트롤, 사과 및 양파에 있는 쿼세틴 등이 식물에 함유되어 있는 것이 대표적인 폴리페놀이다(Othman et al., 2007). 폴리페놀은 뛰어난 항산화 작용을 가지고 있으며, 인체 내에서 생산되는 활성산소를 해가 없는 물질로 바꾸어 주는 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다(Counet and Collin, 2003). 폴리페놀은 활성산소에 노출되어 손상되는 DNA의 보호나 세포구성 단백질 및 효소를 보호하는 항산화 능력이 커서 다양한 질병에 대한 위험도를 낮추어 준다고 보고되고 있다(Kono et al., 1995; Saliva et al., 1991; Ding et al., 2006). 또한 폴리페놀은 항암작용과 함께 심 장질환을 막아주는 것으로 알려져 있다. 카카오에는 카테킨이라는 폴리페놀성 화합물이 다량 함류 되어 있으며, 녹차보다 7배, 홍차보다 9배나 많은 폴리페놀이 함유되어 있다고 보고되었다(Kim and Keeney, 1984; Lee et al., 2003).
2. 연구 목적
중남미에서는 카카오콩도 커피와 같은 로스팅 과정을 거쳐 추출하여 음용한다는 것에 착안하여 카카오를 커피음료에 적용하기로 하였다.
현재까지 커피와 카카오를 침출하여 혼합한 기능성 음료는 개발되어 있지 않다. 따라서, 본 연구 에서는 커피 음료의 다양화, 고급화, 기능성 전달을 위하여 커피 추출액과 카카오 추출액을 혼합 하여 기호성뿐만 아니라 건강기능성을 함께 가진 카카오‐커피 음료를 개발하고자 하였다.
세부적으로 (1)소비자 기호도가 높으며 다량의 항산화 성분을 가진 커피 원두의 선정, (2)항산화 능력과 폴리페놀 함량이 높게 유지되는 최적의 커피 로스팅 조건 확립, (3)항산화 능력과 폴리페놀 함량이 높게 유지되는 최적의 카카오 로스팅 조건 확립, (4)카카오‐커피 음료 제품의 소비자 기호도
조사를 통하여 최적의 배합비를 설정하고자 하였다.
3. 커피 품종 선정 3.1. 연구 목적
항산화 능력이 높은 카카오-커피 음료를 개발하기 위하여, 국내에 수입되는 다양한 원산지의 커피를 로스팅하여 소비자가 선호하는 커피 중 항산화 능력이 높은 커피를 선정하고자 하였다.
3.2. 재료 및 방법 3.2.1. 재료
Folin‐ciocalteu reagent, Gallic acid, aluminum nitrate, potassium acetate, quercetin, 1,1‐diphenyl‐2‐picrylhydrazyl, ascorbic acid, FeCl3, FeSO4·7H2O (Iron(Ⅱ) sulfate heptahydrate), trolox, 2,2'‐azobis (2‐amidino‐propane) dihydrochloride, fluorescein sodium, ABTS (2,2‐azinobis‐(3‐ethylbenzo‐thiazoline‐6‐sulphonic acid)는 Sigma Aldrich사(St. Louis, MO, USA)에서, 2,4,6‐Tri (2‐Pyridyl)‐1,3,5‐triazine는 Tokyo Chemical Industry Co.(Tokyo, Japan)에서 구입하였다. Ethanol, dimethyl sulfoxide은 Junsei Chemical Co. (Tokyo, Japan)에서, sodium carbonate은 Showa Chemical Industry Co.(Tokyo, Japan)에서 구입하 였다.
3.2.2. 커피 로스팅 및 추출
7종의 아라비카 커피는 생두를 Café Moi(Yongin‐si, Korea)에서 로스팅을 하였다(Table 3‐1).
생두는 2013년에 수확하여 수입된 것을 사용하였다. 커피 생두(1000.0 g)는 7년 경력의 커피 로스팅 전문가가 후지로얄사의 상업용 커피 로스터(R‐105, Fuji Royal Co., Ltd., Osaka, Japan)를 이용하여 로스팅을 하였다. 각각의 커피 생두의 상태에 따라 최적의 커피 원두를 생산 하고자 각각 다른 조건에서 로스팅을 진행하였다(Hečimović et al., 2011). 커피 로스팅 정도는 Agtron number 58±3으로 미디엄 로스팅보다 약간 낮은 수준으로 하였다(SCAA, 2009). 로스
팅 된 원두는 상온에서(23℃) 3일간 방치하여 커피 내의 CO2가 방출되도록 하였다. 대조구로는 시판용 브라질산 아리비카 커피(Brazil Cerrado, E‐mart, Seoul, Kora)를 사용하였다.
커피 추출은 상업용 에스프레소머신(Faema E98, Faema, Milan, Italy)을 이용하였다. 원두를 분쇄하여 710 x 710 ㎛ 표준체를 통해서 걸러지는 부분만을 추출에 사용하였다. 커피 (14.5 g)을 에스프레소 추출용 포터 필터에 넣고 약 3 Kg의 힘으로 탬핑을 하였다. 그후 9 atm 98℃의 증기를 이용하여 60 mL의 커피를 추출하였다. 추출된 커피는 Sacchetti 등(2009)의 방법을 참고 하여 상온에서 Advantec No. 2 filter paper (pore size : 6 ㎛, Advantec MFS, Inc., Dublin, CA, USA)를 이용하여 여과하였다. 시료의 냉동 보관은 커피의 냉동 보관에 따른 항산화 능력에 영향을 끼치지 못한다는 연구결과(Nicoli et al., 1997)를 참고하여 ‐30℃에서 냉동 보관하여 추후 실험에 사용하였다.
Table 3‐1. Coffee bean samples and abbreviations of the samples Origin Abbreviation
Mexico Yajalon MY Mexico Maragogype MM Guatemala Antigan GA
Ethiopia Michile EM
Kenya AA KA
Colombia Supremo CS Peru Chanchamayo PC Brazil Cerrado BC
3.2.3. 소비자 조사
커피 8종의 소비자 기호도 조사는 단국대학교 학생 60명에 의해 수행되었다. 시료는 추출된 에스프레소에 뜨거운 물을 5배 가수하여 아메리카노를 제조하였다. 소비자 조사는 80명을 수용할 수 있는 강의실에서 진행되었다. 소비자 패널에게 명확하게 9점 척도에 대하여 교육을 진행하여 소비자 패널이 명확하게 9점 척도법(1=대단히싫다, 2=매우싫다, 3=보통싫다, 4=약간싫다, 5=보통 이다, 6=약간좋다, 7=보통좋다, 8=매우좋다, 9=대단히 좋다)을 이해하도록 하고 소비자 조사를
패널은 전반 기호도, 색상 기호도, 향 기호도, 커피맛 기호도, 쓴맛 기호도, 신맛 기호도를 평가 하였다. 시료는 Wakeling과 MacFie(1995)의 incomplete balanced design 방법을 이용하여 패널 한 명에게 4개의 시료를 제공하여 평가를 진행하였다. 패널에게 시료를 제시하기 직전에 보온병에 있는 커피 추출액을 종이컵에 옮겨 제공하여 시료의 온도 변화를 최소화 하였다. 시료(20 mL)는 189 mL의 종이컵에 제공되었으며, 종이컵은 온도의 변화를 최소화 하고자 2겹으로 하였다. 패널은 실제 커피를 마시는 것과 동일하게 맛을 보고 삼키로록 하였다. 시료 취식 후 생수를 제공하여 제품 시식 후 입안을 헹구도록 하였다. 소비자 조사실의 온도는 24℃로 유지되었으며, 조명은 형광등을 이용하였다.
3.2.4. DPPH radical 소거활성 측정
DPPH(1,1‐diphenyl‐2‐picrylhydrazyl) radical 소거활성측정은 free radical을 갖는 안정한 화 합물인 DPPH를 기질로서 Blois(1958)방법을 변형하여 측정하였다. DPPH 용액 (1.5×10-4M) 160 µL와 커피추출액 40 µL를 혼합한 후 실온에서 30분 동안 반응시킨 후 microplate reader (Spectra max M2, Molecular Devices, LLC., Sunnyvale, CA, USA)를 이용하여 517 nm에서 흡광도를 측정하여, 아래의 식에 의하여 항산화 활성 능력을 나타내었다.
DPPH radical scavenging activity (%)
= [cOntrol Abs ‐ (Sample Abs ‐ Blank Abs) / Control Abs] × 100
커피의 상대적인 항산화성을 비교하기 위해 양성대조군으로 ascorbic acid를 사용하였다.
3.2.5. Ferric‐reducing antioxidant power (FRAP) 측정
FRAP 측정은 커피 추출물에 의해 ferric 2,4,6‐tripyridyl‐s‐triazine[Fe(Ⅲ)‐TPIZ]를 ferrous 2,4,6‐tripyridyl‐s‐triazine[Fe(Ⅱ)‐TPIZ] 혼합물로 환원되는 원리를 통하여 항산화 능력을 측정하는 방법으로 Benzie(1999)의 방법을 수정하여 측정하였다. 실험에 사용하기 위한 FRAP reagent를 만들기 위해 아래와 같이 A, B, C용액을 제조하였다. A: 300 mM sodium acetate buffer (pH
3.6), B: 10mM TPTZ(2,4,6‐tripyridyls‐triazine)/40 mM HCl, C: 20 mM FeCl3 용액을 실험 직전에 10:1:1(v/v/v)의 비율로 혼합한 후 37℃에서 반응시켜 FRAP reagent로 사용하였다.
FRAP reagent 290 µL와 커피 추출물 10 µL을 넣은 후, 37℃에서 15분간 반응시킨 후 593 nm 에서 분광광도계를 사용하여 흡광도를 측정하였다. FRAP 활성은 커피 1 g당 해당되는 환원력을 표준물질인 FeSO4·7H2O 표준곡선(R2=0.997)을 작성하여 1 g 커피 원두의 환원력 (mM Fe(II)/g)으로 나타내었다.
3.2.6. ABTS radical cation decolonization assay 측정
7 mM ABTS 용액과 2.45 mM potassium persulfate 용액을 16시간 암실에 방치하여 측정에 필요한 시약을 준비하였다. 준비된 ABTS 용액과 potassium persulfate 용액을 phosphate buffer saline으로 희석하여 734 nm에서 흡광도가 0.7이 되도록 하여 최종 ABTS 측정 용액을 제조하였다.
시료(0.1 mL)에 최종 ABTS 용액 3 mL를 넣고 3분간 방치하고 734 nm에서 흡광도를 측정하였다.
양성대조군으로는 0–1 mM의 trolox 용액의 흡광도를 측정하여 표준 곡선을 만들었다. 결과 값은 커피 1 g당 원두의 trolox equivalent (mM TE/g)으로 나타내었다.
3.2.7. 총 페놀함량 측정
총 페놀함량(total polyphenol contnet, TPC)은 Folin‐Dennis 방법(AOAC, 1995)을 변형하여 측정하였다. 시료 2 μL에 증류수를 넣어 160 μL로 희석하여 만든 후 2N Folin‐Ciocalteu's phenol reagent 10 μL를 넣고 8분간 암실에서 반응시킨다. 반응시킨 용액에 20% Na2CO3 수용액을 30 μL을 가한 후, 암실에서 2시간 정치한 후 microplate reader(Spectra max M2, Molecular Devices)로 765 nm에서 흡광도를 측정하였다. 결과 값은 gallic acid를 0~1000 μg/mL의 농도로 제조하여 시료와 동일한 방법으로 얻어진 검량곡선(R2=0.998)을 통해 시료의 총 페놀성 화합물 함량을 커피 1 g당 원두의 gallic acid equivalents (mg GAE/g)로 나타내었다.
3.2.8. 총 플라보노이드 함량 측정
에탄올 120 μL, 10% aluminum nitrate 8 μL, 1.0 M potassium acetate 8 μL, 증류수 24 uL를 차례로 가하여 혼합하고, 실온에서 40분간 정치 후 415 nm에서 흡광도를 측정하였다. Quercetin을 표준물질로 사용하여 0-180 μg/mL의 농도 범위에서 얻어진 표준 검량선(R2=0.997)을 통해 총 플라보노이드 함량을 커피 1 g당 원두의 quercetin equivalents(mg QE/g)로 나타내었다.
3.2.9. 통계분석
소비자 조사 결과는 ‘소비자’ 및 ‘시료’를 독립변수로 하여 이원분산분석(2‐way analysis of variance, ANOVA)를 실시하였다. 이화학 분석은 시료를 독립변수로 하여 일원분산분석(1‐way ANOVA)를 실시하였다. 시료간의 유의차 정도를 구분하기 위하여 Fisher’s least significant difference (LSD) test를 수행하였다
3.3. 결과 및 고찰
3.3.1. 소비자 기호도 조사
커피 8종에 대한 전반적인 품질, 향 및 향미 기호도는 Table 3‐2와 같다. 전반적인 품질에 관 한 기호도는 9점 만점에 3.52이었으며, 통계적으로 시료간에 유의적인 차이이는 없었다(p>0.05).
대조구로 사용된 마트 시판 제품인 BC는 3.96으로 평가되었으며, MY(4.52), KA(4.32), MM(4.13)는 대조구 보다 높은 기호도를 보여 주었다. 향에 관한 기호도에서는 MY(5.36), MM(5.22), KA(5.14)의 순서이었으며, 대조구가 4.58로 가장 낮게 되었다. 커피를 마셨을때 느껴 지는 향미 기호도는 MY(4,48), GA(4.32), KA(4.27)가 대조구인 BC(4.21)보다 높았으며, EM(3.35)과 PC(3.39)는 타 품종에 비해서 0.5점 이상 낮았다.
Table 3‐2. Consumer acceptance of overall quality, aroma and flavor for 8 coffee extract
Sample Acceptance1)
Overall quality Aroma Flavor
BC 3.96 4.58 4.21
CS 3.91 5.36 3.95
EM 3.26 4.91 3.35
GA 3.86 4.77 4.32
KA 4.32 5.14 4.27
MM 4.13 5.22 3.96
MY 4.52 5.39 4.48
PC 3.52 4.91 3.39
1) No significant difference (p<0.05) was found in acceptances.
3.3.2. 항산화 활성
DPPH, FRAP 및 ABTS 방법을 이용한 커피 추출액 8종의 항산화 활성은 Table 3‐3과 같다.
Free radical 소거능을 측정한 DPPH 분석은 커피 원두 1 g당 ascorbic acid 상당량(mg ascorbic acid equivalent (AAQ)/g)으로 표기하였다. 8종 시료의 ascorbic acid 상당량 범위는 MM에서 15.92 mg AAQ/g으로 가장 높았으며 GA에서 8.65 mg AAQ/g으로 가장 낮았다. 대조구인 BC의 항산화 활성은 12.86 mg AAQ/g이었으며, MM, KA(14.37 mg AAQ/g), EM(13.52 mg AAQ/g)는 대조구보다 높았다.
커피 원두 1 g당 철(II)의 산화력 상당량(mmol Fe(II) equivalent (EQ)/g)으로 분석한 FRAP 시험법에서는 0.24-0.41 mmol Fe(II) EQ/g의 항산화 활성을 보였다. KA가 0.41 mmol Fe(II) EQ/g로 가장 높았으며 PC가 0.24 mmol Fe(II) EQ/g로 가장 낮았다. KA, EM(0.39 mmol Fe(II) EQ/g)은 대조구인 BC(0.36 mmol Fe(II) EQ/g)보다 항산화 활성이 높았다.
ABTS radical은 산화하는 능력을 측정한 ABTS 시험법에서는 커피 원두 1 g의 항산화 활성을 trolox equivalent (TE)/g로 표시하였다. 8종의 시료의 항산화 활성은 95.99-113.68 μmol TE/g이었으며, 시료간에 유의적인 차이는 없었다(p>0.05). CS는 113.68 μmol TE/g로 가장 높은 ABTS radical 소거능을 보였으며, MY는 85.99 μmol TE/g로 가장 낮았다. MM(108.38 μmol
TE/g)과 EM(104.60 μmol TE/g)는 CS와 더불어 100 μmol TE/g이 넘는 항산화 활성을 보여주 었다.
Table 3‐3. Antioxidant activities of 8 coffee extracts by DPPH radical scavenging activity (DPPH), ferric‐reducing antioxidant power (FRAP), and ABTS radical cation decolonization assay (ABTS)
Sample DPPH
(mg ascorbic acid EQ/g)1)
FRAP (mmol Fe(II) EQ/g)
ABTS (μmol TE/g)
BC 12.86±1.68bcd 0.36±0.02c 98.25±15.88
CS 12.61±0.75cde 0.34±0.02d 113.68±11.47
EM 13.52±0.96bc 0.39±0.01b 104.60±5.82
GA 8.65±0.86f 0.36±0.36c 94.78±10.86
KA 14.37±0.55ab 0.41±0.01a 99.27±18.70
MM 15.92±1.08a 0.31±0.01e 108.38±3.37
MY 11.48±1.12de 0.35±0.00cd 85.99±10.57
PC 11.10±0.45de 0.24±0.00f 93.19±5.77
1) EQ = equivalent, TE = trolox equivalent
3.3.3. 총 폴리페놀 및 플라보노이드 함량
커피 추출액 8종의 총 폴리페놀 및 플라보노이드 함량은 Table 3‐4와 같다. 총 폴리페놀 함량은 커피 원두 1 g당 gallic acid 상당량(mg gallic acid equivalent (GAE)/g)으로 표시하였다. 총 폴리페놀 함량은 19.03 mg GAE/g (BC)에서 21.99 mg GAE/g (EM)으로 시료간에 큰 차이가 없었다. 7종의 시료는 대조구(BC)보다 총 폴리페놀 함량이 높았다. 총 플라보노이드 함량은 커피 원두 1 g 당 quercetin 상당량(mg quercetin equivalent (QE)/g)으로 표시하였다. PC가 5.27 mg QE/g로 가장 높았으며, KA(4.34 mg QE/g)와 EM(4.25)가 그 뒤를 이었다. CS(3.76 mg QE/g), MM(3.69 mg QE/g), GA(3.65 mg QE/g)의 총 플라보노이드 함량은 대조구(3.37 mg QE/g)보다 높았다.
Table 3‐4. Total polyphenol and total flavonoid contents of 8 coffee extracts Sample TPC (mg GAE/g) TFC (mg QE/g)
BC 19.03±0.35d 3.37±0.77b
CS 21.34±0.49ab 3.76±0.33b
EM 21.99±0.33a 4.25±0.13ab
GA 20.26±0.39bc 3.65±0.66b
KA 20.00±0.38cd 4.34±0.65ab
MM 19.70±1.16cd 3.69±0.89b
MY 19.32±0.63cd 3.22±0.98b
PC 20.18±0.81c 5.27±0.53a
3.3.4. 품종 선정
커피는 기호 식품으로 본 연구에서 초점을 두고 있는 기능성 커피‐카카오 음료의 개발에 중요한 항산화 활성 뿐만아니라 소비자들의 기호성도 매우 중요하다. 대조구인 BC보다 전반적인 품질 기 호도가 높은 MM, KA, MY의 세 품종을 대상으로 항산화 능력 및 가격을 비교하고 품종을 선정 하였다(Table 3‐5). 선정된 세 가지 품종은 소비자 조사, 항산화 능력, 폴리페놀 및 플라보노이드 함량에서 유사하였다. 그러나 KA는 다른 두 품종보다 가격이 2배 가량 높기 때문에 제외 시켰다.
MY와 MM 중 항산화 활성(DPPH, ABTS) 및 총 폴리페놀과 플라보노이드 함량이 높은 MM을 기능성 커피‐카카오 음료 개발을 위한 커피 품종으로 선정하였다.
Table 3‐5. Selecting coffee sample for developing a functional coffee‐cacao beverage
Sample MY KA MM
Overall quality (out of 9) 4.52 4.32 4.13
DPPH (mg ascorbic acid EQ/g 11.48 14.37 15.92
FRAP (mmol Fe(II) EQ/g) 0.35 0.41 0.31
ABTS (μmol TE/g) 85.99 99.27 108.38
TPC (mg GAE/g) 19.32 20.00 19.70
TFC (mg QE/g) 3.22 4.34 3.69
4. 커피 로스팅을 위한 최적의 온도, 시간, 공기유입 조건 설정 4.1. 연구 목적
온도, 시간 및 공기 유입을 조건으로 하며 반응표면 분석법(response surface methodology, RSM)을 시행하여 커피 로스팅 후 항산화 활성이 가장 높은 조건을 찾아 본 연구의 카카오‐커피 개발을 위한 커피 로스팅에 적용하고자 하였다.
4.2. 재료 및 방법 4.2.1. 실험 재료
커피는 2013년 수확된 멕시코산 maragogype를 사용하였다. Folin‐ciocalteu reagent, gallic acid, 1,1‐diphenyl‐2‐picrylhydrazyl는 Sigma Aldrich사(St. Louis, MO, USA)에서 구입하였고, ethanol 은 Junsei Chemical Co. (Tokyo, Japan)에서, sodium carbonate은 Showa Chemical Industry Co.(Tokyo, Japan)에서 구입하였다.
4.2.2. 커피 로스팅 및 추출
커피 로스팅은 상업용 직화식 로스터(최대 5,000 g, R‐105, Fuji Royal Co., Ltd., Osaka, Japan)를 이용하여 1회 2,000 g의 생두를 투입하여 진행하였다. 예비 실험을 통해서 반응표면분 석법(response surface methodology, RSM)을 실시하기 위한 중심점의 온도(190℃), 시간(15 min), 공기흐름(0 m3/hr)을 설정하였다. RSM은 Box‐Behnken design을 사용하여 총 15조건에 서 로스팅을 실시하였으며, 중심점에서는 3회 반복 로스팅을 하였다(Table 4‐1).
로스팅된 원두의 추출은 solid‐liquid extraction 방법을 이용하였다. 커피와 정수된 물(98℃)을 1:10 (w:v)으로 플라스크에 넣은 후 98℃의 항온 수조에서 100 rpm의 속도로 교반하여 10분간 추출하였다. 추출물은 추출 후 상온에서 6500xg force로 원심분리하여 상등액을 Advantec No.
2 filter paper (pore size : 6 ㎛) (Advantec MFS, Inc., Dublin, CA, USA)를 이용하여 감압 여과한 후 부피를 측정하였다. 여과된 시료는 ‐30℃에서 보관하면서 분석에 사용하였다.
Table 4‐1. Experimental design by Box‐Behnken design in conducting response surface methodology for coffee roasting
Experimental
number Temperature (℃) Time (min) Air flow (m3/hr)1)
1 180 13 0
2 180 15 ‐3.91
3 180 15 3.91
4 180 17 0
5 190 13 ‐3.91
6 190 13 3.91
7 190 15 0
8 190 15 0
9 190 15 0
10 190 17 ‐3.91
11 190 17 3.91
12 200 13 0
13 200 15 ‐3.91
14 200 15 3.91
15 200 17 0
1) Open damper for positive air flow and close damper for negative air flow.
4.2.3. DPPH radical 소거활성 측정
DPPH(1,1‐diphenyl‐2‐picrylhydrazyl) radical 소거활성 측정은 free radical을 갖는 안정한 화합물인 DPPH를 기질로서 Blois(1958)방법을 변형하여 사용하였다. DPPH 용액 (1.5×10-4M) 160 µL와 커피추출액 40 µL를 혼합한 후 실온에서 30분 동안 반응시킨 후 microplate reader (Spectra max M2, Molecular Devices, LLC., Sunnyvale, CA, USA)를 이용하여 517 nm에 서 흡광도를 측정하였고, 아래와 같이 황산화 활성을 나타내었다.
DPPH radical scavenging activity (%)
= [control Abs ‐ (sample Abs ‐ blank Abs) / control Abs] × 100
4.2.4. 총 페놀 함량 측정
총 페놀 함량(total polyphenol contnet, TPC)은 Folin‐Dennis 방법(AOAC, 1995)을 변형하여 사용하였다. 시료 2 μL에 증류수를 넣어 160 μL로 희석하여 만든 후 2N Folin‐Ciocalteu's phenol reagent 10 μL를 넣고 8분간 암실에서 반응시켰다. 반응시킨 용액에 20% Na2CO3 수용액을 30 μL을 가하고, 암실에서 2시간 정치한 후 microplate reader(Spectra max M2, Molecular Devices)로 765 nm에서 흡광도를 측정하였다. 결과 값은 gallic acid를 0-1000 μg/mL의 농도로 제조하여 시료와 동일한 방법으로 얻어진 검량곡선(R2=0.998)을 통해 시료의 총 페놀 함량을 gallic acid equivalents (mg GAE/g)로 나타내었다.
4.2.5. 통계분석
Minitab 16(Minitab, College Station, PA, USA)을 이용하여 분산분석(Analysis of variance, ANOVA)를 실시하여 p<0.05의 유의적인 수준에서 RSM 결과를 도출하였다.
4.3. 결과 및 고찰
4.3.1. 온도, 시간, 공기 흐름에 따른 커피 로스팅 시 항산화 활성의 변화
로스팅 온도, 시간, 공기흐름에 따른 Box‐Behnken design을 이용한 반응표면 분석법의 DPPH 실험법에 의한 항산화 활성의 통계 분석은 Table 4‐2와 같다. ANOVA 분석결과 모델은 p=0.012 및 F‐value(9.29)를 가지는 것으로 나타나 제안된 모델의 유의성을 확인시켜주었다. Coefficient of determination(R2)은 94.36%이었으며, adjusted coefficient of determination (R2 adj)은 84.21%로 수정 모델의 R2값이 약간 하락함을 보여주었다. 적합성 결여(Lack‐of‐fit)는 p=0. 543 으로 모델에 적합하다고 나타났다. 이러한 결과값들은 본 RSM모델의 유의함을 증명해준다. 독립 변수인 ‘온도(A)’, ‘시간(B)’, ‘공기흐름(C)’은 모델 분석결과 p‐value가 각각 0.001, 0.010, 0.032로 분석되어 모든 항목에서 유의적인 차이가 없었다. 제곱항의 p‐value는 각각 0.778, 0.818, 0.142로 유의차가 없었다. 교호작용에서는 온도×시간, 온도×공기, 시간×공기에서 p‐value가 각각 0.941, 0.143. 0.600로 모든 항목에서 유의차가 없었다.
Table 4‐2. Analysis of variance and model fitting for the response and variables antioxidant activity by DPPH radical scavenging activity assay1)
Source df Seq SS Adj SS Adj MS F‐value P‐value
Model 9 390.962 390.962 43.440 9.29 0.012
A‐temperature 1 241.370 241.370 241.370 51.64 0.001
B‐time 1 77.919 77.919 77.919 16.67 0.010
C‐air flow 1 40.445 40.445 40.445 8.65 0.032
A2 1 0.772 0.412 0.412 0.09 0.778
B2 1 0.665 0.274 0.274 0.06 0.818
C2 1 14.186 14.186 14.186 3.04 0.142
AB 1 0.029 0.029 0.029 0.01 0.941
AC 1 14.117 14.117 14.117 3.02 0.143
BC 1 1.459 1.459 1.459 0.31 0.600
Residual 5 23.368 23.368 4.674
Lack of fit 3 13.859 13.859 4.620 0.97 0.543
Pure error 2 9.509 9.509 4.755
Total 14 414.330
R2 0.9436
Adj R2 0.8421
1) Seq SS =sequential sum of square, Adj SS = adjusted sum of square, Adj MS = adjusted mean square.
이와 같은 결과를 이용하여 유의차가 없는 항을 제거한 reduced model을 적용하여 ‘온도’, ‘시간’,
‘공기흐름’에 따른 커피의 항산화 활성의 예측 식은 선형 방적식으로 아래와 같다.
DPPH (%) = 59.1096 – 5.4928A – 3.1209B + 0.3450C (A:온도, B: 시간, C: 공기흐름)
ANOVA 분석결과를 바탕으로 ‘온도’, ‘시간’, ‘공기흐름’에 따른 항산화 활성의 변화를 나타내는 등고선도는 Figure 4‐1과 같다. ‘온도’ 및 ‘시간’과 항산화 활성은 반비례 관계를 보여주었다.
로스팅 시간이 길어지고 로스팅 온도가 높아질수록 항산화 활성이 감소하였다. ‘온도’와 ‘공기흐름’
및 ‘온도’와 ‘시간’에 있어서는 2차 함수 모양의 등고선이 관측되었다. 유의차가 발견되지 않았지만
‘공기흐름’의 제곱항(p=0.124)이 등고선도에 영향을 주었다고 할 수 있다. 공기의 흐름이 없을 때
같은 온도 또는 시간에서 항산화 활성이 낮게 나타났다. 따라서, 항산화 활성이 높은 커피의 로스팅 에는 공기의 유입 또는 유출이 있는 방향으로 로스팅을 진행하는 것이 커피 추출물의 항산화 능력을 높일 수 있다고 판단된다.
time*temperature
200 195 190 185 180 17
16
15 14
13
air*temperature
200 195 190 185 180 3.0 1.5 0.0 -1.5 -3.0
air*time
17 16 15 14 13 3.0 1.5 0.0 -1.5 -3.0
temperature 190
time 15
air 0
Hold v alue
>
– – – – – – – – – –
<
62.0 63.5 63.5 65.0 65.0 50.0 50.0 51.5 51.5 53.0 53.0 54.5 54.5 56.0 56.0 57.5 57.5 59.0 59.0 60.5 60.5 62.0 DPPH (%)
Figure 4‐1. Contour plot of DPPH free radical scavenging activity of coffee extracts based on roasting condition (temperature (℃), time (min) and air flow (m3/hr)).
4.3.2. 온도, 시간, 공기 흐름에 따른 커피 로스팅 시 총 페놀 함량의 변화
로스팅 온도, 시간, 공기흐름에 따른 Box‐Behnken design을 이용한 반응표면 분석법의 통계 분석결과는 Table 4‐3과 같다. ANOVA 분석결과 모델은 p<0.001 및 높은 F‐value(42.12)를 가지는 것으로 나타나 제안된 모델의 유의성을 확인시켜주었다. Coefficient of determination(R2)은 98.70% 이었으며, adjusted coefficient of determination(R2 adj)은 96.35%로 모델 유의성의 근거가 되었다. 적합성 결여(Lack‐of‐fit)가 p=0.401으로 모델에 적합하였다. 이와 같은 모델 유의성 검증에서 매우 높은 정확도를 보여주었다. 독립변수인 ‘온도(A)’, ‘시간(B)’, ‘공기흐름(C)’는 모델
분석결과 p‐value가 각각 0.015, 0.008, 0.280로 나와, 공기흐름은 유의차가 없는 것으로 타나났다.
제곱항의 p‐value는 각각 0.021, 0.034, 0.041로 유의차가 있었다. 또한 교호작용에서는 온도×
시간에서 p=0.018로 유의차가 있었다.
Table 4‐3. Analysis of variance and model fitting for the response and variables for total polyphenol content1)
Source df Seq SS Adj SS Adj MS F‐value P‐value Model 9 143.309 143.309 15.923 42.12 <0.001 A‐temperature 1 76.880 5.028 5.023 13.30 0.015
B‐time 1 23.393 6.968 6.968 18.43 0.008
C‐air flow 1 28.275 0.556 0.556 1.47 0.280
A2 1 3.226 4.136 4.136 10.94 0.021
B2 1 2.720 3.148 3.148 8.36 0.034
C2 1 2.849 2.849 2.849 7.53 0.041
AB 1 4.580 4.580 4.580 12.11 0.018
AC 1 1.277 1.277 1.277 3.38 0.125
BC 1 0.109 0.109 0.109 0.29 0.614
Residual 5 1.890 1.890 0.378
Lack of fit 3 1.343 1.343 0.448 1.64 0.401
Pure error 2 0.547 0.547 0.273
Total 14
R2 0.9870
Adj R2 0.9635
1) Seq SS =sequential sum of square, Adj SS = adjusted sum of square, Adj MS = adjusted mean square.
이와 같은 결과를 이용하여 유의차가 없는 항을 제거한 reduced model을 적용한 ‘온도’, ‘시간’,
‘공기흐름’에 따른 커피의 총 페놀 화합물의 함량 예측 식은 아래와 같다.
Total polyphenol content (mg GAE/g) = ‐489.979 + 4.514A + 16.235B + 0.481C – 0.011A2 – 0.231B2 – 0.057C2 – 0.054AB (A:온도, B: 시간, C: 공기흐름)
ANOVA 분석결과를 바탕으로 ‘온도’, ‘시간’, ‘공기흐름’에 따른 총 페놀 함량의 변화를 나타내는 등고선도는 Figure 4‐2와 같다. 온도가 높아지고, 시간이 오래 될수록 총 페놀 함량은 감소하는 경향성을 보여 주었다. 그림의 좌측 하단인 ‘낮은 온도, 짧은 시간’ 에서 가장 높은 총 페놀 함량을 나타내며, 그림의 우측 상단인 ‘높은 온도, 긴 시간’의 로스팅 조건에서 총 페놀 함량이 낮은 것을 나타낸다. ‘온도’와 ‘공기흐름’ 및 ‘시간’과 ‘공기흐름’은 유사한 경향성을 있었다. ‘공기흐름’은 공기가 로스터 안으로 들어가는 좌측 위 부분에서 높은 총 페놀 함량을 보였으며, 공기가 나가면서 온도 또는 시간이 증가하는 우측 하단으로 갈 수록 총 페놀의 함량이 곡선 모양으로 감소하는 경향을 보였다. 곡선 모양의 등고선이 나오는 것은 ‘온도’, ‘시간’, ‘공기흐름’ 모두 RSM 모델에서 제곱항이 유의차를 보이는 것에 기인한다고 판단된다
Time*Temperature
200 195 190 185 180 17
16
15
14
13
Air*Temperature
200 195 190 185 180 3.0 1.5 0.0 -1.5 -3.0
Air*Time
17 16 15 14 13 3.0 1.5 0.0 -1.5 -3.0
Temperature 190
Time 15
Air 0
Hold v alues
>
– – – – – – – – –
<
25.5 26.5 26.5 17.5 17.5 18.5 18.5 19.5 19.5 20.5 20.5 21.5 21.5 22.5 22.5 23.5 23.5 24.5 24.5 25.5
TPC
Figure 4‐2. Contour plot of total polyphenol content of coffee extracts based on roasting condition (temperature, time and air flow).
4.3.3. 최적 커피 로스팅 조건 설정
로스팅 조건(온도, 시간, 공기흐름)에 따른 DPPH radical scavenging activity와 총 페놀 함 량의 변화는 로스팅 온도가 낮고, 로스팅 시간이 짧고, 공기의 유입이 있을수록 항산화 활성이 높 고 총 페놀 함량이 높은 것으로 나타났다. 이는 항산화 활성을 가진 물질과 페놀이 열에 파괴되기 쉽다는 기존의 연구 결과와 일치한다. 공기의 흐름에 대해서는 상온의 공기가 로스팅기 안쪽으로 유입되면서 커피 표면의 온도을 낮추는데 영향을 주었을 것이라 판단된다. 본 연구의 결과에서 가 장 높은 항산화 활성과 총 페놀 함량을 얻을 수 있는 로스팅 조건은 실제 커피 로스팅에 주로 사 용되는 온도 및 시간이 아닌 관계로, 카카오‐커피에 적합한 품질의 로스팅을 설정하고자 최적 로 스팅 조건에 사용된 최적의 조건은 DPPH와 총 페놀 값의 70% 지점으로 설정하였고, 하한선으로 50%를 설정하여 최적화를 진행하였다. 로스팅 최적 조건은 온도 187℃, 로스팅 시간 15.5분, 공 기흐름 3.91 m3/h에서 최적값(70%)에 100%로 만족하는 것으로 분석되었다(Figure 4‐3).
Figure 4‐3. Optimization of temperature, time and airflow for coffee roasting.
Optimization was set up from 70% of antioxidant activity and total polyphenol content.
5. 카카오 로스팅을 위한 최적 온도 및 시간 설정 5.1. 연구 목적
온도 및 시간을 반응표면 분석법(response surface methodology, RSM)으로 카카오 로스팅 후 항산화 활성이 가장 높은 지점을 찾아 본 연구의 카카오 로스팅에 적용하고자 하였다.
5.2. 재료 및 방법 5.2.1. 실험 재료
카카오 생두는 페루산 유기농 카카오로 로스팅하우스(Paju‐si, Korea)에서 수입한 2013년 산을 사용하였다. 카카오 생두는 국내 재료 수급의 문제로 일시에 25 Kg을 구입하여 냉장보관하면서 사용하였다. Folin‐ciocalteu reagent, gallic acid, 1,1‐diphenyl‐2‐picrylhydrazyl는 Sigma Aldrich사 (St. Louis, MO, USA)에서 구입하였고, ethanol 은 Junsei Chemical Co. (Tokyo, Japan)에서, sodium carbonate은 Showa Chemical Industry Co.(Tokyo, Japan)에서 구입하였다.
5.2.2. 실험 디지인, 카카오 로스팅 및 추출
카카오 로스팅은 소형 직화식 로스터(최대 250 g, KN‐8828P‐2K, Hottop USA, Cranston, RI, USA)를 이용하여 1회 150 g의 카카오를 투입하여 진행하였다. 예비 실험을 통해서 반응표면분석법 (response surface methodology, RSM)을 실시하기 위한 중심 온도(170℃) 및 시간(10 min)을 설정하였다. RSM은 중심합성법(central composition design)을 사용하여 총 9조건에서 로스팅을 실시하였으며, 중심점에서는 5회 반복 로스팅을 하였다(Table 5‐1).
로스팅된 카카오의 추출은 solid‐liquid extraction 방법을 이용하였다. 카카오와 정수된 물을 1:10(w/v)으로 플라스크에 넣은 후 25℃의 항온 수조에서 150 rpm의 속도로 교반하여 15분간 추출하였다. 추출 후 상온에서 Advantec No. 2 filter paper (pore size : 6 ㎛) (Advantec MFS, Inc., Dublin, CA, USA)를 이용하여 감압여과하였다. 여과된 시료는 ‐30℃에서 보관하면서 분석에 사용하였다.
Table 5‐1. Experimental design by central composite design in conducting response surface methodology for cacao roasting
Experimental number Temperature (℃) Roasting time (min)
1 150 10
2 156 6.46
3 156 13.54
4 170 5
5 170 10
6 170 10
7 170 10
8 170 10
9 170 10
10 170 15
11 184 6.46
12 184 13.54
13 190 10
5.2.3. DPPH radical 소거활성 측정
DPPH(1,1‐diphenyl‐2‐picrylhydrazyl) radical 소거활성측정은 free radical을 갖는 안정한 화 합물인 DPPH를 기질로서 Blois(1958)방법을 변형하여 사용하였다. DPPH용액(1.5×10-4M) 160 µL와 카카오추출액 40 µL를 혼합한 후 실온에서 30분 동안 반응시킨 후 microplate reader(Spectra max M2, Molecular Devices, LLC.)를 이용하여 517 nm에서 흡광도를 측정하였고, 아래의 식 에 의하여 항산화 활성을 나타내었다.
DPPH radical scavenging activity (%)
= [control Abs ‐ (sample Abs ‐ blank Abs) / control Abs] × 100
5.2.4. 총 페놀 함량 측정
총 페놀 함량(total polyphenol contnet, TPC)은 Folin‐Dennis 방법(AOAC, 1995)은 변형하여 사용하였다. 시료 2 μL에 증류수를 넣어 160 μL로 희석하여 만든 후 2N Folin‐Ciocalteu's phenol reagent 10 μL를 넣고 8분간 암실에서 반응시켰다. 반응시킨 용액에 20% Na2CO3 수용액을 30 μL을 가한 후, 암실에서 2시간 정치한 후 microplate reader(Spectra max M2, Molecular Devices)로 765 nm에서 흡광도를 측정하였다. 결과 값은 gallic acid를 0-1000 μg/mL의 농도로 제조하여 시료와 동일한 방법으로 얻어진 검량곡선(R2=0.998)을 통해 시료의 총 페놀 함량을 커피 원두 1 g당 gallic acid equivalents (mg GAE/g)로 나타내었다.
5.2.5. 통계분석
Minitab 16 (Minitab, College Station, PA, USA)을 이용하여 분산분석(Analysis of variance, ANOVA)를 실시하여 p<0.05의 유의적인 수준에서 RSM 결과를 도출하였다.
5.3. 결과 및 고찰
5.3.1. 온도와 시간에 따른 카카오 로스팅시 항산화 활성의 변화
온도와 시간에 따른 CCS design을 이용한 DPPH free radical 소거능의 반응표면 분석법 통계 분석결과는 Table 5‐2 과 같다. ANOVA 분석결과 모델은 p<0.001 및 높은 F‐value(40.45)를 가 지는 것으로 나타나 제안된 모델의 유의성을 확인시켜주었다. Coefficient of determination(R2) 은 96.65%이며, adjusted coefficient of determination(R2 adj)은 94.27%로 모델 유의성의 근 거가 되었다. 적합성 결여(Lack‐of‐fit)이 p=0.160으로 모델에 적합하다고 나타났다. 이와 같은 모 델 유의성 검증에서 매우 높은 정확도를 보여주었다. 독립변수인 ‘온도(A)’와 ‘시간(B)’은 p<0.001 로 유의차가 나타난 것으로 분석되었다. 제곱항에서 ‘온도(A2)’는 p=0.970로 유의차가 없으며, ‘시 간(B2)’은 0.014로 유의차가 발견되었다. 교호작용향에서 ‘온도x시간(AB)’은 0.103로 유의차가 없 었다.
Table 5‐2. Analysis of variance and model fitting for the response and variables for DPPH free radical scavenging activity1)
Source df Seq SS Adj SS Adj MS F‐value P‐value
Model 5 1329.78 1329.78 265.96 40.45 <0.001
A‐temperature 1 257.44 257.44 257.44 39.15 <0.001
B‐time 1 978.14 978.14 978.14 148.77 <0.001
A2 1 100 0.01 0.01 0 0.97
B2 1 70.05 70.05 70.05 10.65 0.014
AB 1 23.14 23.14 23.14 3.52 0.103
Residual 7 46.02 46.02 6.575
Lack of fit 3 31.77 31.77 10.59 2.97 0.16
Pure error 4 14.25 14.25 3.56
Total 12 1375.8
R2 0.9665
Adj R2 0.9427
1) Seq SS =sequential sum of square, Adj SS = adjusted sum of square, Adj MS = adjusted mean
ANOVA분석결과를 바탕으로 ‘온도’와 ‘시간’에 따른 DPPH radical 소거능의 변화를 나타내는 등고선도는 Figure 5‐1과 같다. 온도가 높아지고, 시간이 길어질수록 DPPH radical 소거능이 감소 하는 경향성을 보여주었다. 그림의 좌측 하단인 ‘낮은 온도, 짧은 시간’ 로스팅 조건에서 가장 높은 DPPH radical 소거능을 보여주었고, 그림의 우측 상단인 ‘높은 온도, 긴 시간’의 로스팅 조건에서 낮은 DPPH radical 소거능을 보여주었다. ANOVA 분석의 ‘온도’ 및 ‘시간’ 항이 p<0.001로 모델에 높은 영향력을 끼쳐서 이러한 결과가 도출되었으며, ‘온도’가 높아지고 ‘시간’이 길어질 수록 시간의 제곱항에 영향을 받아 등고선이 곡선으로 나타난 것으로 판단된다.
Figure 5‐1. Contour plot of DPPH free radical scavenging activities of cacao extracts based on roasting condition (temperature and time).
이와 같은 결과를 이용하여 reduced model을 적용한 ‘온도’와 ‘시간에 따른 카카오의 DPPH free radical 소거능 예측 식은 아래와 같다.
DPPH (%) = ‐19.506 – 5.673A ‐ 11.057B + 3.168B2 (A: 온도, B: 시간)
5.3.2. 온도와 시간에 따른 카카오 로스팅시 총 폴리페놀 함량의 변화
온도와 시간에 따른 CCS design을 이용한 반응표면 분석법의 통계 분석결과는 Table 5‐3 과 같다. ANOVA 분석결과 모델은 p<0.001 및 높은 F‐value(36.18)를 가지는 것으로 나타나 제안된 모델의 유의성을 확인시켜주었다. Coefficient of determination(R2)은 96.27%이며, adjusted coefficient of determination(R2 adj)은 93.61%로 모델 유의성의 근거가 되었다. 적합성 결여 (Lack‐of‐fit)이 p=0.566으로 모델은 적합하였다. 이와 같은 모델 유의성 검증에서 매우 높은 정확도를 보여주었다. 독립변수인 ‘온도(A)’와 ‘시간(B)’은 p<0.001로 유의차가 나타난 것으로 분석 되었다. 제곱항에서 ‘온도(A2)’는 p=0.515로 유의차가 없으며, ‘시간(B2)’은 0.039로 유의차가 발견 되었다. 교조작용항에서 ‘온도×시간(AB)’은 0.179로 유의차가 없었다.
Table 5‐3. Analysis of variance and model fitting for the response and variables for total polyphenol content
Source df Seq SS Adj SS Adj MS F‐value P‐value
Model 5 33.223 33.223 6.645 36.18 <0.001
A‐temperature 1 6.974 6.974 6.974 37.97 <0.001
B‐time 1 24.472 24.472 24.472 133.25 <0.001
A2 1 0.193 0.086 0.086 0.47 0.515
B2 1 1.177 1.177 1.177 6.41 0.039
AB 1 0.409 0.409 0.409 2.23 0.179
Residual 7 1.286 1.286 0.184
Lack of fit 3 0.472 0.472 0.158 0.77 0.566
Pure error 4 0.813 0.813 0.203
Total 12 34.509
R2 0.9627
Adj R2 0.9361
1) Seq SS =sequential sum of square, Adj SS = adjusted sum of square, Adj MS = adjusted mean
ANOVA분석결과를 바탕으로 ‘온도’와 ‘시간’에 따른 총 페놀 함량의 변화를 나타내는 등고선도는 Figure 5‐2와 같다. 온도가 높아지고, 시간이 오래 될 수록 총 페놀 함량은 감소하는 경향성을 보여 준다. 그림의 좌측 하단인 ‘낮은 온도, 짧은 시간’ 로스팅 조건에서 가장 높은 총 페놀 함량을 보여 주고, 그림의 우측 상단인 ‘높은 온도, 긴 시간’의 로스팅 조건에서 낮은 총 페놀 함량을 보여주었다.
ANOVA 분석의 ‘온도’ 및 ‘시간’ 항이 p<0.001로 모델에 높은 영향력을 끼쳐서 이러한 결과가 도출 되었으며, ‘온도’가 높아지고 ‘시간’이 길어질 수록 시간의 제곱항에 영향을 받아 등고선이 곡선으로 나타난 것으로 판단된다.
Figure 5‐2. Contour plot of total polyphenol contents of cacao extracts based on roasting condition (temperature and time). Total polyphenol content was presented as mg gallic acid equivalent/g of roasted coffee.
이와 같은 결과를 이용하여 reduced model을 적용한 ‘온도’와 ‘시간에 따른 카카오의 총 페놀 화합물의 함량 예측 식은 아래와 같다.
Total polyphenol content (mg GA/g of coffee)
= 3.5764 – 0.9337A – 1.7490B + 0.4258B2 (A: 온도, B: 시간)
5.3.3. 최적의 로스팅 조건 도출
로스팅 조건(온도, 시간)에 따른 DPPH free radical scavenging activity와 총 페놀 함량의 변화는 로스팅 온도가 낮고, 로스팅 시간이 짧을 수록 항산화 활성이 높고 총 페놀 함량이 높은 것으로 나타났다. 이는 항산화 활성을 가진 물질과 페놀성화합물이 열에 파괴되기 쉽다는 기존의 연구 결과와 일치한다. 본 연구의 결과에서 가장 높은 항산화 능력과 총 페놀 함량을 얻을 수 있는 로스팅 지점은 150.0℃에서 5.0분으로 나타났다. 그러나 이 지점에서 카카오 로스팅은 통상적인
로스팅 조건보다 낮은 온도, 짧은 시간이다. 적합한 품질의 로스팅을 도출하고자 최종 로스팅 조건에 사용된 최적의 조건은 DPPH와 총 페놀 값의 80% 지점으로 설정하였고, 하한선으로 50%
를 설정하여 RSM분석을 진행하였다. 로스팅 온도 172℃, 로스팅 시간 6.4분에서 최적값(80%)에 98.51%로 만족하는 것으로 분석되었다(Figure 5‐3).
Figure 5‐3. Optimization of temperature and time for cacao roasting. Optimization was set up from 70% of antioxidant activity and total polyphenol content.
6. 카카오‐커피 음료 제조 및 평가 6.1. 연구 목적
앞의 연구에서 설정된 커피 및 카카오 로스팅 조건으로 로스팅된 커피와 카카오를 이용하여 카카오‐커피 음료를 개발하고, 소비자 조사를 진행하여 최적의 커피 및 카카오 추출액의 비율을 결정하고자 하였다.
6.2. 재료 및 방법 6.2.1. 실험 재료
커피는 2013년 산 멕시고 myragogype를 이용하여 로스팅 하였으며, 카카오는 2013년 페루산 유기농 카카오를 사용하여 로스팅 하였다.
6.2.2. 카카오‐커피 음료 제조
카카오는 172℃에서 6.4분간 소형 직화식 로스터(최대용량 250 g, KN‐8828P‐2K, Hottop USA, Cranston, RI, USA)를 이용하여 150 g씩 로스팅을 진행하였다. 로스팅이 완료된 카카오는 껍질을 제거하고 분쇄하였다. 분쇄된 카카오는 1 mm x 1 mm 표준체를 이용하여, 체를 통과한 카카오만을 추출에 이용하였다. 추출은 solid‐liquid extraction방법으로 카카오:물의 비율이 1:10(w/v)이 되도록하여 상온에서 추출을 하였다. 추출은 150 rpm의 속도로 15분간 교반하였다.
그 후 #2 커피 거름종이를 이용하여 추출액을 카카오에서 분리하였다. 액상 부분은 4℃의 냉장고 에서 보관하였다.
커피는 상업용 커피 로스터(R‐105, Fuji Royal Co., Ltd., Osaka, Japan)를 이용하여 로스팅을 하였다. 2 Kg을 투입하여 187℃에서 15분간 댐퍼를 열어 외부 공기가 안으로 들어오도록 로스팅을 하였다. 로스팅이 완료된 커피는 15℃에서 7일간 보관 후 추출에 이용하였다. 커피는 에스프레소 추출을 위한 크기로 상업용 커피 분쇄기를 이용하여 분쇄하였다. 분쇄된 커피 14.0 g을 포터필터 에 넣고, 3 Kg의 힘으로 탬핑을 한후 상업용 에스프레소 추출기(Faema E98, Faema, Milan,
