커피 한 잔을 시스템으로 보기

커피 이야기에는 숫자가 많다. 물은 93도, 압력은 9 bar, 추출 수율은 18~22%, 에스프레소는 25초 안팎. 그런데 이 숫자들이 어디서 나왔는지 따라가 보면 생각보다 금방 길이 끊긴다. 실험 한 번에서 나온 숫자도 있고, 반세기 전 기준표에서 내려온 숫자도 있고, 처음 누가 말했는지 아무도 모르는 숫자도 있다.

나는 카메라로 작은 물체를 보고 그게 무엇인지, 얼마나 큰지 알아내는 일을 한다. 이 일을 오래 하면 습관이 하나 생긴다. 숫자 하나를 받으면 먼저 "무엇으로, 어떻게 쟀나"를 묻는다. 그리고 평균 하나보다 분포를 보고 싶어진다. 사진 한 장의 평균 밝기로는 그 사진에 무엇이 찍혔는지 알 수 없다. 커피 한 잔도 대개 숫자 두 개(농도와 수율)로 요약되는데, 그 두 숫자가 컵 안의 사정을 얼마나 말해 주는지는 따져 볼 만하다.

이 연재는 그 습관으로 커피를 들여다본다. 원두가 버 사이에서 부서지는 순간부터 혀에 닿는 순간까지를 단계로 나누고, 단계마다 학술 연구가 밝힌 것과 아직 모르는 것을 확인한다. 실험이 없는 곳은 시뮬레이션으로 채워 보고, 그 시뮬레이션은 브라우저에서 직접 만져 볼 수 있게 만든다. 연재 이름은 「버에서 혀까지」로 정했다.

오늘은 0편, 지도를 그리는 편이다.

한 잔을 여덟 단계로 나누면

커피 한 잔이 만들어지는 과정을 공정으로 보면 여덟 단계로 나뉜다. 앞 단계의 출력이 다음 단계의 입력이 된다.

1. 원두. 수분, 배전도, 내부 기공 구조를 가진 단단한 알갱이다.
2. 버(burr). 그라인더의 날이다. 형상, 간극, 회전수, 온도가 변수다.
3. 입자 분포. 버를 지나온 가루는 크기가 제각각이다. 이 크기 분포가 이후 모든 단계의 출발점이 된다.
4. 퍽(puck)·베드. 가루가 바스켓이나 드리퍼에 채워진 상태다. 입자가 얼마나 촘촘히 쌓였는지에 따라 물이 지나가기 쉬운 정도(투과도)가 정해진다.
5. 물의 흐름. 압력이나 중력으로 물이 그 틈을 지나간다. 고르게 지나갈 수도 있고 한쪽으로 몰릴 수도 있다.
6. 용출. 물이 입자 표면과 내부에서 성분을 녹여 낸다. 성분마다 녹아 나오는 속도가 다르다.
7. 컵. 녹아 나온 것의 총량이 농도(TDS)와 수율(EY)이라는 두 숫자로 요약된다.
8. 혀. 사람이 그 컵을 마시고 판단한다.

아래 지도에서 단계를 누르면 그 단계의 변수, 확인된 사실, 아직 모르는 것이 나온다. 단계 아래 막대는 지도에 올린 근거를 센 것이다. 초록은 동료심사 연구, 주황은 업계·벤더·블로그 자료, 빨강은 확인한 공백이다.

단계마다 알려진 것

여기서부터는 이번 연재를 준비하며 확인한 문헌 80여 편 가운데 단계별로 대표적인 것만 짚는다. 숫자 뒤에는 출처를 붙였고, 동료심사를 거치지 않은 업계·벤더 자료는 따로 밝혔다.

원두. 볶은 원두 한 알을 천천히 눌러 깨는 데 30~60 N이 든다. 3~6 kg짜리 물건을 올려놓는 정도의 힘이다(Nedomová 2013). 볶은 뒤 남은 수분은 몇 퍼센트에 불과한데, 이 작은 차이가 분쇄에서는 크게 작용한다. 다크 로스트(수분 1.0~1.3%)는 갈 때 음전하를 띠고, 라이트 로스트(2.8~3.0%)는 양전하를 띤다. 극성이 뒤집히는 경계는 수분 약 2%다(Méndez Harper 2024). 반면 원두가 얼마나 단단한지, 금이 얼마나 쉽게 퍼지는지를 나타내는 파괴역학 상수는 체계적으로 잰 자료를 찾지 못했다.

같은 양(15 g)을 서로 다른 정도로 볶은 원두. 사진: Alorin / Wikimedia Commons (CC BY 4.0)

버. 이 단계가 가장 의외였다. 플랫 버와 코니컬 버, 버의 크기, 회전수가 입자 분포를 어떻게 바꾸는지 통제된 실험으로 다룬 동료심사 논문을 찾지 못했다. 가장 큰 자료는 에스프레소 그라인더 24종의 입자 분포 300개를 재분석한 블로그 글이다. 여기서 코니컬은 평균적으로 덜 균일했지만 두 종류의 분포가 크게 겹쳐서, 어떤 코니컬은 어떤 플랫보다 나았다(Gagné 2023, 비동료심사). 회전수는 업계 자료끼리 결론 방향이 서로 반대다. 그라인더가 얼마나 뜨거워지는지도 동료심사 측정이 없다. 남아 있는 것은 2004년 장비 업체의 사례 보고 하나로, 10분 동안 쉬지 않고 갈았더니 가루 온도가 약 12°C 올랐다고 한다(Pico Technology 2004, 비동료심사). 버 사이에서 원두가 부서지는 과정을 입자 시뮬레이션(DEM)으로 다룬 논문도 없었다. 소프트웨어 업체의 시연 영상 하나가 전부다.

그라인더의 버는 크게 두 종류다. 날이 새겨진 원판 두 장이 마주 보고 도는 플랫 버, 그리고 원뿔 모양 날이 바깥 링 안에서 도는 코니컬 버다.

플랫 버. 원두 온도 실험에 쓰인 EK43의 터키식 버(b)와 커피 버(c). 그림: Uman et al. 2016, Scientific Reports, CC BY 4.0. 사진 Spencer Webb. 원 그림에서 그라인더 도해(a)는 빼고 실었다

코니컬 버. 사진: Hustvedt / Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)

입자 분포. 갈린 커피의 크기 분포는 봉우리가 두 개다. 작은 쪽 봉우리는 그라인더가 달라도 늘 30~40 µm 근처에 있다. 원두 세포의 크기가 25~50 µm여서, 미분은 세포벽 조각이라는 설명이 유력하다(Mo 2023). 큰 쪽 봉우리는 분쇄 설정에 따라 200~1000 µm 사이를 움직인다. 이 분포를 재는 일부터가 간단하지 않다. 한 실험에서 입자를 개수로 세면 99%가 100 µm보다 작았는데, 이 작은 입자들이 전체 표면적의 80%를 차지했다(Cameron 2020). 같은 가루를 개수로 그리느냐 부피로 그리느냐에 따라 전혀 다른 그래프가 나온다. 레이저 회절, 체, 카메라도 서로 다른 답을 낸다. 레이저 회절의 국제 표준은 비구형 입자에서는 다른 방법과 결과가 다르다고 스스로 밝힌다(ISO 13320).

굵게 간 가루(왼쪽)와 곱게 간 가루(오른쪽). 그릇 지름은 70 mm다. 굵게 간 쪽을 보면 큰 알갱이 사이에 고운 가루가 섞여 있다. 사진: Alorin / Wikimedia Commons (CC BY 4.0), 두 장을 나란히 붙였다

봉우리가 두 개인 분포. 같은 원두를 에스프레소용(E), 캡슐용(H), 모카포트용(M), 드립용(F)으로 간 가루를 레이저 회절로 쟀다. (a) 분포, (b) 누적 분포. 그림: Mo et al. 2023, Scientific Reports, CC BY 4.0

퍽. 에스프레소 퍽의 투과도는 대략 10⁻¹³~10⁻¹⁴ m² 범위다(Corrochano 2015). 이 값을 좌우하는 것은 미분이다. 100 µm보다 작은 입자를 더 넣으면 투과도가 떨어져 샷 시간이 길어진다(Smrke 2024). 탬핑 압력은 카페인과 트리고넬린의 추출 속도에 검출할 만한 영향을 주지 않았다(Kuhn 2017). 바리스타들이 공들이는 퍽 정리 도구(WDT, 디스트리뷰터)의 효과는 통제 연구를 찾지 못했다.

캡슐에 담긴 커피 가루를 X선 µCT로 찍어 세로로 자른 단면. 가운데 오톨도톨한 층이 퍽이다. 연구진은 이런 3차원 영상에서 입자와 빈틈을 갈라낸 뒤 그 빈틈으로 물을 흘리는 계산을 했다. 그림: Mo et al. 2023, Scientific Reports, CC BY 4.0

물의 흐름. 압력을 올리면 물이 비례해서 더 빨리 흐를 것 같지만, 카페용 머신에서 유량은 약 5 bar까지만 압력에 비례했고 그 위에서는 포화됐다. 압력이 퍽을 눌러 틈을 좁히기 때문이다(Waszkiewicz 2026). 이 현상을 관성 효과로 설명하는 연구도 있어서(Mo 2023), 지금 학계에서 해석이 갈리는 지점이다. 물이 한쪽으로 몰리는 채널링은 이론으로는 잘 설명된다. 물이 많이 지난 길은 성분이 빠져 더 헐거워지고, 헐거워진 길로 물이 더 몰린다(Lee 2023). 그러나 9 bar 아래에서 채널이 생겨나는 순간을 직접 찍은 영상은 아직 없다.

바닥 없는(네이키드) 포터필터로 내리는 에스프레소. 바스켓 바닥이 드러나 있어서 물이 퍽을 고르게 지나는지 눈으로 볼 수 있다. 이 사진에서는 한 줄기로 모여 떨어진다. 바리스타들은 줄기가 여러 갈래로 갈라지거나 옆으로 튀는 것을 채널링의 신호로 본다. 사진: Takeaway / Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

용출. 성분은 두 가지 방식으로 나온다. 깨진 세포가 드러난 입자 표면에서는 빠르게 녹아 나오고, 입자 안쪽에서는 좁은 기공을 따라 천천히 확산돼 나온다(Moroney 2015). 성분마다 시간표도 다르다. 에스프레소를 열 잔으로 나눠 받아 보면 트리고넬린과 고형분 농도가 가장 빨리 떨어지고, 클로로겐산과 카페인은 그보다 천천히 떨어진다(Schmieder 2023). 프렌치프레스처럼 물에 담가 두는 방식은 원두와 물의 비율을 바꿔도 수율이 약 21%에서 멈춘다(Liang 2021).

컵. 컵의 농도와 수율은 퍽 전체의 평균이다. 수학 모델로 고운 분쇄의 베드 내부를 들여다보면, 위치에 따라 국소 수율이 약 5%p 벌어졌다. 원뿔형 드리퍼와 원통형 베드는 컵에 나오는 농도가 비슷했지만 내부의 추출 편차는 달랐다(Moroney 2019). 평균이 같은 두 잔이 속은 다를 수 있다는 뜻이다.

고운 분쇄로 채운 원뿔형 베드에서 가루 속에 남은 가용 성분 농도를 CFD로 계산한 결과(0~35초). 빨강은 많이 남은 곳, 파랑은 거의 빠진 곳이다. 컵에 나오는 농도는 하나의 숫자지만 베드 안은 이렇게 고르지 않다. 그림: Moroney et al. 2019, PLOS ONE, CC BY 4.0

혀. 감각 연구는 생각보다 단단하다. 농도와 수율을 맞춰 놓으면 87, 90, 93°C로 내린 커피를 패널이 구별하지 못했다(Batali 2020). 단맛은 농도와 수율이 오를수록 오히려 줄었다(Frost 2020). 소비자는 좋아하는 맛이 서로 다른 두 집단으로 갈려서, 모두에게 맞는 '이상적인 상자'는 없었다(Guinard 2023). 비어 있는 질문도 분명하다. 컵 안의 추출 편차, 즉 평균이 숨긴 분포가 맛을 바꾸는지는 아무도 재지 않았다.

단계는 따로 놀지 않는다

여덟 단계를 나눠 놓았지만 단계들은 서로 물려 있다. 역설 하나가 그걸 보여 준다.

곱게 갈수록 표면적이 넓어지니 추출이 잘 될 것 같다. 물이 퍽을 고르게 지난다고 가정한 모델도 그렇게 예측한다. 분쇄가 고울수록 수율이 계속 오른다. 그런데 실제로 에스프레소를 내려 보면 수율은 어느 분쇄도에서 꼭대기를 찍고, 그보다 고우면 오히려 떨어졌다. 샷마다 편차도 커졌다(Cameron 2020). 연구진은 고운 분쇄에서 물이 고르게 흐르지 못한다고 해석했다. 같은 연구는 원두를 20 g에서 15 g으로 줄이고 더 굵게 갈아도 같은 수율을 더 안정적으로 얻을 수 있었다고 보고했다. 원두를 최대 25%까지 아낄 수 있다는 계산이다.

이 역설을 단계로 풀면 이렇다. 버가 곱게 갈면(2단계) 미분이 늘고(3단계), 미분은 퍽의 틈을 메워 투과도를 떨어뜨린다(4단계). 투과도가 낮고 고르지 않은 퍽에서는 물이 일부 길로 몰리고(5단계), 그 길만 과하게 추출되고 나머지는 덜 추출된다(6단계). 굴절계는 그 둘을 섞은 평균을 읽는다(7단계).

그림은 실측이 아니라 개념도다. 평균 수율이 20%로 같은 두 잔을 그렸다. 한 잔은 퍽 전체가 고르게 추출됐고, 다른 한 잔은 일부가 과하게, 일부는 덜 추출됐다. 굴절계로 재면 두 잔은 같은 숫자를 낸다. 단계 하나만 들여다봐서는 이 문제가 보이지 않는다. 분쇄 연구자는 분포를, 유체 연구자는 투과도를, 감각 연구자는 컵을 본다. 그 사이를 잇는 것이 이 연재의 목표다.

지도의 빈칸

문헌을 모아 놓고 보니 근거가 고르게 퍼져 있지 않았다. 하류로 갈수록 두껍고, 상류로 갈수록 얇다.

용출과 감각은 수학자, 물리학자, 식품공학자, 감각과학자가 오래 공을 들인 분야다. 퍽 속의 흐름도 최근 몇 년 사이 X선 CT로 퍽 내부를 찍고 그 위에서 유체를 계산하는 연구가 이어지고 있다. 그런데 정작 모든 것의 출발점인 그라인더 안은 업계 측정과 블로그, 벤더 시연이 대부분이다. 이번 조사에서 확인한 공백을 정리하면 이렇다.

• 커피 분쇄를 입자 시뮬레이션(DEM)으로 다룬 동료심사 논문이 없다
• 버 형상, 크기, 회전수, 정렬의 통제 실험이 없다
• 분쇄 중 버와 가루의 온도를 잰 동료심사 연구가 없다
• 원두의 파괴역학 상수가 없다
• 블레이드 그라인더와 버 그라인더의 입자 분포를 비교한 동료심사 연구가 없다
• 퍽 정리 도구의 효과를 통제한 연구가 없다
• 압력 아래에서 채널이 생기는 순간을 직접 찍은 영상이 없다
• 컵 안의 추출 편차가 맛을 바꾸는지 잰 연구가 없다
• '미분'의 정의부터 연구마다 다르다(100 µm 미만, 세포 크기 봉우리, 레이저 컷오프 약 70 µm)

빈칸은 두 종류로 나뉜다. 실험 장비가 있어야 채울 수 있는 빈칸이 있고, 계산과 측정 도구로 다가갈 수 있는 빈칸이 있다. 이 연재는 뒤쪽을 맡는다. 사진으로 입자를 재는 것, 버 단면을 시뮬레이션하는 것, 퍽에 물을 흘려 보는 것은 비전 엔지니어의 도구로 해 볼 만하다.

읽는 법

글마다 질문 하나를 붙들고 간다. 필요한 물리와 화학의 기초를 깔고, 선행 연구를 수치와 함께 읽은 다음, 직접 시뮬레이션하거나 측정해 본다. 시뮬레이션은 글 안에서 바로 만져 볼 수 있게 넣는다.

근거는 세 가지로 구분해 표시한다.

• 확인됨: 동료심사 논문에서 확인한 사실. 원문을 직접 읽었는지, 초록만 확인했는지도 참고문헌에 적는다
• 모델 추정: 이 연재에서 만든 시뮬레이션이 내놓은 결과. 실험으로 검증되기 전까지는 가설이다
• 열린 문제: 연구가 비어 있는 곳

업계 측정, 블로그, 벤더 자료는 본문에서 '비동료심사'라고 밝힌다. 이 분야에서는 업계 자료가 가장 큰 데이터인 경우가 많아서 버릴 수는 없지만, 같은 무게로 다루지도 않는다.

참고문헌

• Nedomová Š et al. (2013). Strength of coffee beans under static and dynamic loading. Acta Univ. Agric. Silvic. Mendel. Brun. 61(3), 743–749. doi:10.11118/actaun201361030743 — 원문 확인
• Méndez Harper J et al. (2024). Moisture-controlled triboelectrification during coffee grinding. Matter 7(1), 266–283. doi:10.1016/j.matt.2023.11.005 — 원문(arXiv) 확인
• Gagné J (2023). What I learned from analyzing 300 particle size distributions for 24 espresso grinders. Coffee ad Astra. 링크 — 비동료심사
• Pico Technology (2004). Espresso coffee grinder testing. 링크 — 비동료심사, 장비 업체 사례
• Mo C et al. (2023). Exploring the link between coffee matrix microstructure and flow properties using combined X-ray microtomography and smoothed particle hydrodynamics simulations. Scientific Reports 13, 16374. doi:10.1038/s41598-023-42380-y — 원문 확인
• Cameron MI et al. (2020). Systematically improving espresso: insights from mathematical modeling and experiment. Matter 2(3), 631–648. doi:10.1016/j.matt.2019.12.019 — 원문(저자 PDF) 확인
• ISO 13320:2020. Particle size analysis — Laser diffraction methods. 링크 — 공식 샘플 본문 확인
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• Kuhn M et al. (2017). Time-resolved extraction of caffeine and trigonelline from finely-ground espresso coffee with varying particle sizes and tamping pressures. Journal of Food Engineering 206, 37–47. doi:10.1016/j.jfoodeng.2017.03.002 — 초록 확인
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• Frost SC et al. (2020). Effects of brew strength, brew yield, and roast on the sensory quality of drip brewed coffee. Journal of Food Science 85(8), 2530–2543. doi:10.1111/1750-3841.15326 — 초록·SCA 요약 확인
• Guinard J-X et al. (2023). A new Coffee Brewing Control Chart relating sensory properties and consumer liking to brew strength, extraction yield, and brew ratio. Journal of Food Science 88(5), 2168–2177. doi:10.1111/1750-3841.16531 — 초록 확인
• Uman E et al. (2016). The effect of bean origin and temperature on grinding roasted coffee. Scientific Reports 6, 24483. doi:10.1038/srep24483 — 원문 확인

이미지 출처

• 볶음 정도가 다른 원두: Alorin, Wikimedia Commons, CC BY 4.0
• 플랫 버: Uman et al. (2016) Fig. 2b·c, Scientific Reports, CC BY 4.0 (사진 Spencer Webb, 일부를 잘라 실음)
• 코니컬 버: Hustvedt, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
• 굵게·곱게 간 가루: Alorin, Wikimedia Commons 굵게 · 곱게, CC BY 4.0 (두 장을 나란히 붙임)
• 입자 크기 분포, 퍽 µCT 단면: Mo et al. (2023) Fig. 3·4, Scientific Reports, CC BY 4.0
• 네이키드 포터필터: Takeaway, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
• 원뿔형 베드의 추출 시뮬레이션: Moroney et al. (2019) Fig. 9, PLOS ONE, CC BY 4.0
• 그 밖의 그림과 지도: 직접 제작