[음식] 커피 | 커피 로스팅 중 열전달

 

 커피 로스터는 전도, 대류, 복사를 통해 열을 커피콩으로 전달한다. 각 로스터는 이 세 가지 열전달 방식을 저마다의 비율로 배합해 열을 전달한다. 아래에서는 로스터의 설꼐 형태에 따라 열전달 방식이 어떻게 달라지는가를 개괄할 것이다. 로스터의 상세 다른 글에서 설명할 예정이다.

 

전도, 대류, 복사

 고전 방식 드럼 로스터는 열이 드럼을 직접 가열하는 방식으로, 커피콩은 일차적으로 대류를 통해 부차적으로는 전도를 통해 열을 받는다. 로스터의 뜨거운 표면에서 방출되는 복사열 또한 어느 정도 열전다레 기여한다고 볼 수 있다.

 

 드럼을 간접 가열하는 로스터는 드럼과 열원을 떨어뜨려 로스팅 중 드럼이 뜨거워지지 않게끔 한다. 이런 종류의 로스터에서는 대류 방식이 훨씬 더 큰 비중을 차지한다.

 

 유동층(fluid bed) 로스터는 드럼이 없고 대신 뜨거운 공기를 고속으로 주입해 커피콩이 떠있도록 한다. 로링(Loring)사의 Smart Roaster 같은 재순환식 로스터는 로스팅 공정에서 발생하는 폐열을 일부로 재활용한다. 두 종류 모두 거의 전적으로 대류 방식으로 열을 전달한다.

 

 배치 로스터(batch roaster)에 커피콩을 투입하면, 뜨거운 로스터 안으로 실온의 커피콩과 공기가 대량 유입되면서 내부 온도가 급격히 낮아진다. 고전 방식의 드럼 로스터에서는 커피 투입 후 몇 분 동안은 뜨거운 드럼으로부터 공급되는 열 전도가 열전달의 상당분을 차지한다. 떨어졌던 온도가 투입 전의 수준으로 회복되고 나면, 대류가 열전달 역할을 맡는다. 이런 로스터에서 드럼은 일종의 열 저장 장치로서 로스팅 초반의 빠른 발현을 돕는 역할을 한다. 대류 위주의 로스터는 열 저장 장치 역할을 할 드럼이 없으므로 로스팅 초기에 열을 충분히 공급할 수 있도록 더 뜨거운 온도로 채워 줄 필요가 있다.

 

열전달과 온도 편차

 로스팅 과정의 첫 2/3는 흡열(endothermic) 과정이다. 즉 커피콩은 에너지를 흡수하고 열은 커피콩 바깥에서 안으로 전달된다. 커피콩 내부의 온도 편차 " ΔT"는 전반적으로 열전달률을 결정짓는다. 간단히 말하자면 온도 편차가 클수록 커피콩 내부는 더 빨리 가열된다. 로스팅 초기으 추정 온도 편차는 약 50도이며, 이후 로스팅이 진행되면서 편차는 줄어들거나 얼마간 더 커졌다가 점차 줄어든다. 즉, 로스팅을 시작하고 몇 분 정도가 지나면 커피콩의 중심부와 표면이 모두 뜨거워지면서 온도 또한 천천히 비슷해진다. 일반적으로 온도 편차의 최대값은 로속 로스닝에서 크고 저속 로스팅에서 작다. 

 

커피콩 내에서의 열전달과 물질 이동

 로스팅 중 수분 증발은 커피콩의 가장 바깥쪽에서부터 시작하며 '수분 증발층'은 점차 커피콩의 안쪽으로 이동한다. 커피콩 내부 셀룰로스 구조는 상대적으로 온도가 낮고 견고해서 내부에 수분을 잡아 둔다. 이렇게 갇혀 있던 수분은 가열되면서 수증기로 변하고, 이로 인해 커피콩 내압이 커지면서 커피콩 구조가 팽창한다. 

 

 이 압력은 최저 5.4기압(550kPa)에서 최대 25기압(2533kPa)으로 추정하는데, 이로 인해 셀룰로스 구조가 압력 스트레스를 이기지 못하고 파괴된다. 이때가 바로 첫 번째 크랙이 일어나는 시점이다. 첫 번째 크랙이 진행되는 동안 수증기와 이산화탄소가 빠져나가고 압력이 낮아지면 커피콩 내부 온도는 급격히 상승한다.

 

열전달과 수분

 로스팅 환경에서의 습도와 커피콩 내의 수분 함량 모두 로스팅 중의 열전달에 영향을 미친다. 로스팅 중 공기 습도는 처음에는 열전달을 방해하지만 이후부터는 열던달 효율을 높여서 커피콩에서 수분이 빨리 날아가도록 돕는다. 커피콩 내부 수분은 보다 복잡한 방식으로 영향을 끼치는데, 수분 함량이 많으면 커피콩 내부 열전달에 세 가지 큰 영향을 미친다.

• 수분은 커피콩의 열전도성을 높이므로 열전달량이 많아진다.
• 수분은 커피콩의 열용량을 키우므로 같은 양의 커피를 가열할 때 더 많은 열이 필요해진다.
• 더 많은 양의 수증기가 커피콩 밖으로 빠져나가야 하므로 커피콩 내부로의 열전달이 방해된다.

 

 수분 자체로만 보자면, 수분 함량이 많은 커피콩은 온도가 천천히 올라간다. 그러므로 수분이 많은 커피콩을 볶을 때는 더 강하게 또한 더 주의 깊게 열을 가해야 한다.