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[E.B.E.] 필터를 통한 에스프레소 추출 측정

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Engineering Better Espresso
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Engineering Better Espresso (더 나은 에스프레소를 위한 공학적 접근) 저자 ‘로버트 알로에’의 도움을 받아 제공되는 콘텐츠입니다. 디자인커피 블로그를 통해 저자의 200개 넘는 글 중 최신 이슈를 반영하여 번역하고 있습니다.
3줄 요약 : Atago TDS 측정기와 얼음틀을 사용하여 에스프레소 필터 구멍 크기에 따른 TDS 실험에서 필터 아랫부분에서 일어나는 일은 무게 및 TDS 조합을 측정하는 것만으로 합산될 수 없다는 것을 알아냈다.

필터를 통한 에스프레소 추출 측정

얼마 전에 나는 다음의 간단한 목적으로 에스프레소 필터 바스켓의 구멍을 측정해 보기로 결심했다. 나는 이탈리아의 Enrico 에스프레소 머신을 산 것을 후회했었고 개별 머신의 차이점을 무시할 수 있을 정도로 정량화 가능한 측정 기준을 원했다. 이 후회는 대대적인 필터 바스켓 연구로 이어졌으며, 가장 좋은 필터라도 임팩트 흐름에 영향을 줄 수 있을 만큼 필터의 구멍 크기가 다르다는 것을 발견했다. 하지만 실생활에서 이러한 현상을 측정하기는 어려웠다.
얼마 후 나는 이러한 유형을 측정할 수 있는 단서를 찾았고 마침내 이를 가능케 할 최적의 디지털 굴절 측정기를 손에 넣게 되었다. 제대로 된 측정을 위해서는 샷을 추출하는 동안 에스프레소 필터와 분리된 장비가 필요했는데, 마이크로 사이즈의 얼음틀이 딱이었다.

배경

우선, 바텀리스 포타필터에서 특정 패턴을 발견할 수 있었다. 해당 패턴은 이전에 내가 raw 측정에서 찾은 패턴과 비슷해 보였지만 이때 사용된 바텀리스 포타필터는 일부 물 흐름이 겹칠 뿐 아니라 커피가 나오지 않는 막힌 구멍을 숨길 수 있기 때문에 제대로 된 분석이 어려웠다. 또한 샷을 추출하는 동안 더 어두운 흐름이 나오는 것을 볼 수 있었는데 이는 샷 내부의 유동적인 흐름이 어떻게 변화하는지 우리가 알아낼 수 없음을 의미했다. 나는 오랫동안 이 현상을 제대로 측정할 수 있기를 바랐다.
몇 달 후 나는 Brix 굴절 측정기와 커피용 Atago TDS 측정기를 수중에 넣을 수 있었다. Brix는 여러 데이터 포인트 수집에는 적합하지 않았지만 Atago는 데이터 수집에 적합한 장치였다. 나는 모든 종류의 데이터들 중 특히 샷 전체에서의 추출 데이터를 수집하기 시작했다. 해당 테스트에 열의가 오른 나는 최종 TDS 판독보다 더 많은 것을 원하기 시작했고, 얼음틀을 사용하여 여러 시간 간격으로 추출된 TDS 샷 데이터를 수집했다. 이때 최대한 작은 얼음틀이 필요했는데, 아마존에서 12달러짜리 마이크로 사이즈 얼음틀을 발견한 후 고민 없이 질렀다.

실험 준비

아마존에서 구입한 얼음틀에서 뽑아낼 수 있는 가장 많은 샘플은 모서리가 없는 5x5 그리드의 샘플(총 21개 샘플)이었다. 본격적인 실험에 앞서 물로 몇 가지 테스트를 해봤을 때 얼음틀의 깊이가 꽤 얕아 샷을 추출하는 동안 필터를 두 번(총 세 위치) 이동해야 했다. 레버 머신의 이점은 압력을 늦춘 뒤 얼음틀을 약간 아래로 당겨 다음 지점으로 옮길 수 있다는 것인데, 결과에 약간 영향을 주긴 하겠지만 그렇다고 달리 취할 옵션은 없었다.
이때 내가 가졌던 우려 사항은 다음 두 가지였다.
우려 사항 #1 : 얼음틀이 필터 바닥에 눌려 있어서 얼음틀 내부의 공기가 얼음틀로 들어오는 커피를 방해하진 않을까? 이에 대해서는 거의 알려지지 않았지만 문제의 근원은 필터를 통과하며 공기 압력을 받는 ‘물’인 듯했다. 그래도 나에게는 별다른 해결 방법이 없었을뿐더러 샷을 뽑는 동안에도 특별히 눈에 띄는 영향은 보이지 않았다.
우려 사항 #2 : 얼음틀 칸막이가 필터를 통해 들어오는 물을 차단하고 퍽 내부의 흐름에 영향을 미치진 않을까? 높은 확률로 이런 일이 발생했을 수 있었겠지만 이것이 결과에 영향을 끼쳤는지 내가 가지고 있는 장비로는 확인할 수 없다. 혹시라도 영향을 끼쳤다면 그 영향을 필터 전반에서 확인할 수 있고, 균일한 물 배출에 영향을 주었을 것이다(이론적으로).
셋업을 준비하는 동안 필터를 어느 정도잘라야 해서 가위를 사용해 간단히 잘라내었다. 잘라내고 나니 확실히 샷 추출할 때 움직인 필터를 원위치하기 쉬웠다.

실험 장비로는 Kim Expresso 스프링식 수동 에스프레소 머신을 사용했다. 나는 니카라과 핀카와 에티오피아 드라이 공정 원두를 1:1로 섞어 첫 크랙 후 1:15분 로스팅 한 후 Lume 그라인더로 그라인딩 했다. 그리고 샷이 통째로 낭비되는 경우를 대비해 스타카토 샷 대신 일반 샷으로 시작했다.
또한 나는 IMS 트리플 바스켓을 사용했고, 퍽 밑 작업 동안 종이 클립으로 뭉친 원두 덩어리를 부순 후 고르게 풀어주었다. 그런 다음 총 2번의 탬핑을 했다. 첫 탬핑은 원두 1/2를 고르게 펼친 후에, 두 번째 탬핑은 모든 원두를 고르게 펼친 후에 진행했다. 총 24g의 커피를 사용했는데 중간에 한 번 탬핑하니 커피를 낭비하지 않고 고르게 펼칠 수 있었다(이게 정석이 아니라는 건 알고 있다). 그런 다음 수평기를 사용해 위에서부터 모든 것이 수평인지 확인했다.
첫 번째 테스트가 잘 흘러갈 거라고 생각하지 않았었는데 결과는 적잖이 놀라웠다.
한 가지 옥에 티가 있다면 맨 왼쪽에 있는 필터를 미처 계산하지 못해 몇 개의 얼음틀 열을 낭비한 것이다. 그래서 아쉽게도 가장 마지막 3번째 샷의 맨 오른쪽 3열을 놓친 것으로 최종 결과가 도출되었다.
그 후 퍽 안에 크랙을 발견했는데, 그 크랙은 퍽을 얼음틀에서 끌어놓으면서 생긴 압력 때문인지도 모른다. 필터 바닥 부분은 균일한 물 흐름 패턴을 보여주는 것 같았는데, 추후에 보조 카메라를 갖춘다면 이 물 흐름 패턴이 얼음틀을 가로질러 얼마나 균일한지 알아볼 수 있을 것이다.

측정 데이터

이번 실험에 나는 Atago TDS 커피 굴절 측정기와 2자리 소수점 이하까지 나타내주는 저울 (500g x 0.01g)을 사용했다. 모든 얼음틀에 대한 데이터 시트를 설정한 후 커피가 전혀 없는 부분이나 측정하기에 너무 적은 칸은 검은색으로 칠했다.
그리고 실험에 사용된 얼음틀을 랩으로 싼 뒤 커피가 실온 온도가 될 때까지 식혔다. 내 걱정은 측정 시간이 오래 걸리지는 않을지 그리고 커피의 수분 증발이 중요한 변수가 되는지였다. 커버링을 다시 할지는 모르겠지만 중요한 건 커피가 식는 시간이다. 보통 우리가 커피를 마시는 온도에서 TDS 측정을 해야 하지만 이 실험에서 변수를 제어하는 유일한 방법은 실험 환경의 온도를 일정하게 유지하는 것이다. 즉 실험 변수를 완벽히 제어하는 유일한 방법은 실험 환경의 습도는 100%으로, 온도는 샷이 나올 때와 거의 비슷하도록 맞추는 것뿐이었다.
얼음틀에 담긴 값을 측정하기 위해 먼저 얼음틀을 영점 맞춘 저울에 올렸다. 그리고 주사기로 얼음틀 칸에서 가능한 한 많은 커피를 뽑아 TDS 판독기에 3방울(어쩔 땐 실수로 4방울)을 떨어뜨리고 나머지는 컵에 버렸다. 그리고 면봉으로 얼음틀 칸 물기를 없앤 후 그 무게를 기록했다. 그 무렵이 되어서야 TDS 기록이 가능했다.
샷의 어느 지점부터 측정해야 하는지 고려해 봤을때 샷의 첫 번째 부분은 양이 많지 않고 TDS가 너무 높아 샘플을 희석한 뒤 측정해야 했다(Atago 측정값은 22.4% TDS까지만 올라갔다). 그래서 샷 중간과 끝, 시작 부분 순으로 기록했다.
TDS가 너무 높은 얼음칸의 경우 아래와 같이 저울 위에 계량기를 올린 후 3방울을 추가했다. (3방울은 보통 0.07g이지만 저울의 최소 측정값이 있기 때문에 이 값은 다를 수 있다) , 그리고 정수된 물 0.14g을 추가한다. 증류수를 활용할 수는 없었지만 정수된 물의 TDS는 0.07%로 무시할 만한 수준이었다.

결과

데이터 기록 중에도 필터 전반의 물 분포는 고르지 않은 데다가 그 값도 천지차이라서 이상하다고 생각했다. 이 중 일부는 샷의 불균일성 때문일 수 있지만 샷의 어느 한쪽만 추출되었는지는 확실치 않다.
아래 표로  샷의 처음, 중간 및 끝부분 두 가지의 시간 예시 내용을 요약하자면, 샷의 첫 번째 초깃값에서  많은 양의 커피가 추출된다는 것이 분명해 보인다. 이는 이전 데이터에 비해 약간 높게 나타났는데 측정 오차에 의한 차이일 수 있다.
위 세 가지 시간 예시를 커피 무게, 커피 추출 무게 및 TDS 관련하여 살펴봤을 때 이상한 패턴이 나타났다. 필터의 한 지점에서 추출된 액체의 무게는 추출된 커피 무게와 비례하지 않았고, 전체 필터에서도 불균일 문제가 나타났다.
이에 따라 나는 액체 무게/커피 추출 무게/TDS에 누적값을 추가함으로써 시간에 따라 전체적으로 어떤 변화가 일어나는지 살펴보았다. 어떤 사각 칸이 가장 많은 커피를 가지고 있는지에 대해서는 약간의 채널링이 있었지만, 그 채널링 패턴은 내가 생각했던 것처럼 커피 추출 무게 패턴을 따르지 않았다.
커피 무게가 커피 추출 무게와 어떤 상관관계가 있는지 살펴보기 위해 중간 샘플을 추출한 후 커피 무게와 커피 추출 무게를 분석하는 선형 도표에 표시했다. 그 둘의 상관관계는 아래와 같이 대부분 선형 관계로 보이지만 내가 생각했던 것만큼 긴밀한 상관관계를 보이지 않았다.

조금 더 깊이 파고들자!

이제 실제 테스트에서 물의 흐름을 구멍 크기 기반의 필터 분석과 비교하면 어떻게 나타날까? 1년 전, 나는 다양한 에스프레소 필터의 스크린 구멍 분석을 한 바 있다. 필터 스크린의 구멍 크기가 더 큰 영역은 더 강한 물 흐름을 일으키며 채널링 문제를 야기할까?
이때 가장 큰 문제는 구멍의 수가 샘플 수집 시 사용되는 네모칸 수보다 훨씬 많다는 것이다. 이에 따라 합리적인 비교를 위해 5 x 5 그리드로 다운샘플링할 것이다. 여기서 명심해야 할 점은 이 결과는 어느 쪽이든지 적절히 걸러서 들어야 한다는 점이다.
사각칸중에서도 물의 흐름이 주변 사각칸보다 낮은 중간 행과 열 2~열4에 눈에 띄는 부분이 있었다. 이 부분은 투여된 물의 무게와 커피 추출 무게의 결과 데이터와 부분적으로 일치하며, 중앙 사각칸도 잘 정렬되었다. 더 합리적인 결론을 이끌어내려면 더 높은 해상도가 필요할 것이다.
이 실험은 비교적 참신한 것이었지만 아직 시작에 불과하다. 더 나은 실험을 설계하기 위해서는 필터 영역당 더 작고 많은 사각칸이 필요할 것이며, 수차례 반복되어 진행되어야 할 것이다. 그래도 지금껏 진행했던 실험 결과에 한 가지 확실한 점이 있다면, 필터 아랫부분에서 일어나는 일은 무게 및 TDS 조합을 측정하는 것만으로 합산될 수 없다는 것이다.
복잡한 데이터 수집 과정이었고 오류 가능성도 많았지만, 스타카토 샷 및 기타 필터 검토를 위해서 위 실험을 다시 진행해 보고 싶다. 또 향후 실험을 위해 더 깊고 작은 사각 칸의 얼음틀을 구할 수 있는지도 알아볼 것이다.
Robert McKeon Aloe
나는 와이프와 자식들, 에스프레소, 데이터 사이언스, 토마토, 요리, 엔지니어링, 수다 떨기, 가족, 파리, 이탈리아를 좋아한다(좋아하는 순서대로 나열한 건 아니다).
저자의 Twitter 와 YouTube 를 팔로우하면, 서로 다른 커피 머신들로 샷 뽑는 영상과 에스프레소 관련된 자료들을 볼 수 있다. LinkedIn에도 계정이 있다.
번역 : 임다운(@bittersweetw0rld) 편집 : DSGNCOF_NEWS (@designcoffee_com)