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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.21 No.3 pp.181-190
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2022.21.3.181

Characteristics of VOCs emitted from Arabica coffee bin powder

Jong Bum Kim1, Sechan Park1, Gahye Lee1, Pil-ho Kim2, Su-hyun Shin2, Chang Hyeok Kim2, Jong Sung Park2, Hye Jung Shin2, Jeong Joo Lee3, Jeongho Kim4*
1Seahaean Research Institute, ChungNam Institute
2Climate & Air Quality research Department, National Institute of Environmental Research
3Department of Occupational and Environmental Health, Yongin University
4R&D center, Korea Environment Science Institution Co., Ltd.
* Corresponding Author: Tel: +82-32-227-0033 E-mail: jenghoflux@naver.com
16/08/2022 07/09/2022 23/09/2022

Abstract


Coffee is the most popular beverage in the world and various pollutants, including volatile organic compounds (VOCs), are emitted from the coffee manufacturing workplace (roasting process). In this study, we analyzed the characteristics of VOCs emissions from roasted Arabica coffee bean powder using a VOCs emission chamber with a PTR-ToF-MS. The emission test was maintained under constant temperature (20 ± 2°C) and humidity (50 ± 5%) conditions. As a result of the emission test, most of the target compounds had a high concentration in the initial period, and decreased emissions as time lapsed. Acetaldehyde showed the highest concentration and was initially 78 ppm during the test period. Acetaldehyde was followed by propionic acid at 61 ppm, propanal at 51 ppm, and isobutanal at 50 ppm. As a result of comparing the occupational exposure limits (OELs) of individual VOC emitted during the coffee roasting process, the OELs of four substances, including acetaldehyde, propionic acid, acetic acid, and pyridine were identified. Of all four substances, only pyridine exceeded the OELs, and the other compounds had levels of 10% to 30% of the OELs.


Arabica coffee , Emission test , OELs , PTR-ToF-MS , VOCs

아라비카 커피 분말에서 방출되는 VOCs의 특성

김 종범1, 박 세찬1, 이 가혜1, 김 필호2, 신 수현2, 김 창혁2, 박 종성2, 신 혜정2, 이 정주3, 김 정호4*
1충남연구원 서해안기후환경연구소
2국립환경과학원 기후대기연구부
3용인대 산업환경보건학과
4(주)한국환경과학연구소 부설연구소

초록

    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    2020년 기준 세계건강기구(world health organization, WHO)에서 발표한 자료에 따르면 2019년 전 세계에 서 55.4백만명이 사망하였으며, 그 중 55%가 10대 질 환에 의한 것으로 나타났다(WHO, 2021). 1위는 협심 증, 심근경색과 같이 관상동맥이 좁아져 나타나는 허 혈성 심장질환이 차지하였고, 그 뒤를 이어 중풍, 만 성폐질환, 하기도질환, 신생아 사망, 기관·기관지·폐암 순으로 나타났다(WHO, 2020). 2020년 국내에서 시행 된 사망원인 조사에는 암과 심장질환, 폐렴이 1위를 차지하였다(SK, 2021). 이처럼 폐나 기관지, 심혈관계 질환에 의한 사망은 높은 비율을 차지한다. 산업활동 이나 자동차, 생활환경에서 발생되는 입자상 오염물 질인 미세먼지(particulate matter less than 10 μm, PM10), 초미세먼지(particulate matter less than 2.5 μm, PM2.5), 검댕(black carbon, BC) 등과 가스상 오염물질 인 황산화물(sulfate oxide, SOx), 질소산화물(nitrate oxide, NOx), 휘발성유기화합물(volatile organic compounds, VOCs), 오존(ozone, O3), 일산화탄소(carbon monoxide, CO) 등은 체내 유입시 다양한 기관지에 영 향을 미쳐 건강을 해칠 수 있다(Dominici et al., 2003;Bernstein et al., 2004;Kampa and Castanas, 2008). 특 히 밀폐된 공간인 실내공간의 경우 실내외에서 발생 및 유입된 오염물질이 농축되어 재실자의 건강을 해 칠 수 있으며(Bruce et al., 2000;Kim et al., 2017), 담 배를 피지 않는 가정주부의 폐암 발생율이 증가한다 는 연구 결과가 보고되면서, 실내 요리과정에서 배출 되는 오염물질에 의한 건강피해와의 인과성도 중요 하게 거론되고 있다(WHO, 2014).

    많은 사람이 이용하는 상업시설의 조리과정에서는 압축천연가스(compressed natural gas, CNG)나 부탄가 스, 액화석유가스(liquefied petroleum gas, LPG) 등을 직접 연소하는 과정에서 NOx, CO, 이산화탄소(carbon dioxide, CO2), 일부 SOx 등이 발생하며, 재료를 볶거 나 튀기는 과정에서 입자상 오염물질(PM2.5, BC)과 VOCs, 벤조(a)피렌과 같은 다환방향족탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs) 등이 발생한다 (Zhao and Zhao, 2018;Zhao et al., 2018;Ardeh et al., 2020;Deng et al., 2020). 조리과정뿐만 아니라 각종 음 식물의 가공공정에서 배출되는 오염물질들은 순간적 으로 고농도로 발생해 더 큰 위해성(risk)을 보인다. 위 해성은 유해성(hazard)과 노출(exposure)로 평가되며 (Evans and Kantrowitz, 2002), 조리에 종사하는 사람은 유해성이 높은 물질에 장시간 노출될 수밖에 없어 직 업적으로 위해성이 높은 업종으로 분류된다. 이러한 요식업에 종사하는 근로자의 건강을 보호하기 위하 여 작업환경관리기준에 따라 해당 공정의 차단, 밀폐, 국소배기장치 설치 및 개인보호구 착용 등이 선택적 으로 이루어지고 있다.

    한편 국내 음식 시장의 국제화가 본격화되면서 한 식과 양식 및 아시아를 포함한 다양한 국적을 가진 음 식 소비가 증가하고 있으며, 이 가운데 커피는 기호 식품으로 소비량이 가파르게 증가하고 있다. 코로나 팬데믹에도 불구하고 세계 커피 시장은 2019년 1,421 억 달러에서 2020년 1,485억 달러로 약 4.6% 증가하였 으며, 2023년에는 1,911억 달러 규모까지 성장이 전망 된다(BRC, 2021). 커피는 유럽, 미국, 일본 등을 중심 으로 높은 소비량을 보이고 있으며, 한국은 세계 6위 로 2010년 7,000억원 규모였던 커피전문점 내수시장 은 2019년 기준 5조 4,000억원 규모로 7.7배 증가하였 다. 우리나라 1인당 커피 소비량은 2018년 기준 연간 353잔으로 세계 평균 소비량인 132잔의 약 2.7배 수준 이며, 국내 커피 소비는 꾸준히 증가하고 있다(KBFG, 2019). 커피는 식물 중 가장 풍부한 휘발성 향기 성분 을 함유하고 있다(Lee et al., 2013). 지금까지 약 800여 가지의 향기 성분이 알려져 있으며, 비극성 물질에서 극성 물질까지 다양한 물질이 포함되어 있다(Grosch, 1995). 커피의 맛과 향은 생두의 배전공정(roasting)에 서 생성되며, 함유물질에 따라 커피의 맛과 풍미를 증 가시킬 수 있다(Min et al., 2015). 하지만 이 과정에서 원치 않는 VOCs나 PAHs가 발생할 수 있다(Jung et al., 2011).

    Bernheimer (1880)는 커피에 포함되어 있는 VOCs 가 맛과 향에 영향을 미친다는 것을 알아냈고, Jo and Kim (2011)은 커피의 로스팅과정에서 100여 종류가 넘는 황화합물질이 배출되는 것으로 보고하였다(Nijssen et al., 1996;Yeretzian et al., 2003). 미국환경청(United States Environmental Protection Agency, U.S. EPA)에 서는 커피 가공공정에서 배출되는 입자상 오염물질 과 VOCs, 메탄, CO, CO2에 대해 배출계수를 설정하 고 관리하고 있다(U.S. EPA, 1995). 이처럼 커피 처리 공정에서 배출되는 다양한 VOCs 물질을 관찰하기 위 해 전통적으로 가스크로마토그래피(gas chromatography, GC)가 사용되어 왔지만 데이터 확보에 많은 시간이 걸리고, 실시간으로 배출되는 오염원에 대한 특성파 악이 어려워 최근에는 실시간으로 VOCs 물질들에 대 한 개별분석이 가능한 양자전이질량분석기(proton transfer reaction time of flight mass spectrometer, PTR-ToF-MS)를 이용한 분석방법이 이용되고 있다 (Lindinger et al., 2008;Biasilou et al., 2011;Ozdestan et al., 2013). 하지만 대부분의 연구가 식품영향학 관 점에서 커피의 맛과 휘발성 향기성분의 조성에 치우 쳐 있다 보니 공학적 관점에서 근로자 보호 및 배출 원 관리 목적의 연구 결과는 미미한 실정이다. 이에 본 연구에서는 국내 시판되고 있는 로스팅이 완료된 아라비카 커피 분말 시료를 대상으로 개별 VOC 물질 의 실시간 방출특성을 모니터링하여 그 농도 수준을 노출 기준과 비교하였으며, 추후 관련 커피 사업장의 공정개선 및 관리방안 수립을 위한 기초자료로 제공 하고자 한다.

    2. 연구방법

    2.1 PTR-ToF-MS 장비 및 VOCs 물질 정량

    PTR-ToF-MS는 기존에 공정시험법으로 활용되던 고체흡착관을 이용한 측정 및 GC 분석방법을 대신하 여 현장에서 실시간으로 배출되는 VOCs 모니터링에 다수 활용되고 있다(Park et al., 2015;Sarkar et al., 2016;Trefz et al., 2019;Kim et al., 2021). PTR-ToFMS는 대기 중 VOCs를 화학적으로 이온화시켜 챔버 내 비행시간을 질량대전하비로 환산하여 측정된 이 온세기를 측정하는 방식으로, 초 단위로 개별 VOC물 질들을 정량적으로 분석할 수 있으며, 측정장비의 원 리와 분석방법, 정성 및 교정 등에 대한 내용은 이전 연구들에서 자세히 제시되어 있다(De Gouw and Warneke, 2007;Jordan et al., 2009;Kim et al., 2013;Kim et al., 2021). 실험에 앞서 활성탄 트랩(Supelco, U.S.A)을 이용하여 장비의 배경농도를 측정한 후 100 ppb의 VOCs 표준물질(Restek, VOCs 9 mixture, U.S.A) 를 사용하여 이온에 대한 통과효율을 측정하였다. VOCs 물질에 대한 반응속도상수는 2.0 × 10-9 cm3/s 값을 적 용하여 개별 물질에 대한 농도를 산정하였다(Kim et al., 2013, Kim et al., 2014a). 본 논문에서는 기존의 선 행논문들에서 제시된 커피에서 발생빈도가 높게 나 타난 13종을 대상 물질로 선정하였으며(Ozdestan et al., 2013), 개별물질의 특징을 Table 1에 정리하였다. 선 정된 물질은 aldehyde, acid, heterocyclic N, pyrazine, ketone 그룹으로 분류할 수 있다.

    2.2 시험시료 및 방출실험

    커피분말에서 배출되는 VOCs를 확인하기 위해 국 내에서 시판 중인 커피 분말을 이용하여 실험을 수행 하였다. 커피는 재배지역과 재배과정에서 수확, 가공 과정에 따라 다른 품질을 가지며, 배전공정에 따라 배 출되는 향(VOCs)이 다양하게 나타난다(Kim et al., 2014b). 전 세계적으로 아라비카(arabica)와 로부스타 (robusta) 품종이 각각 60%, 40%를 차지한다. 본 연구 에서는 원두 품종에서 전 세계 커피 시장의 60%를 차 지하고 있는 아라비카 품종을 선정하였다. 아라비카 와 로부스타 커피 생원두의 크기는 약 6~7 mm이다. 원두를 수확하여 로스팅 과정을 거치며 수분함량이 감소하고, 직경과 부피는 증가하게 된다(Hidayat et al., 2020). 로스팅된 원두는 분쇄과정 후 표준스크린을 통 해 걸러진 크기를 기준으로 regular, drip, fine으로 분 류되며, 50% 누적 중량에서 평균 입자의 크기는 약 1,130 μm (regular), 800 μm (drip), 680 μm (fine)를 나 타낸다(Clarke and Macrae, 1987). 이러한 입자의 크기 는 에스프레소의 관능적 특성과 직접적인 관련이 있 다(Shin et al., 2011). 일반적으로 커피숍에서 최종적 으로 소비자에게 제공되는 커피는 로스팅 후 분쇄된 분말을 추출하여 제공하기 때문에 일반적으로 fine 범 위를 갖는다. 이에 본 연구에서는 선행연구(pre-test) 개념으로 1개의 상업적으로 시판되는 커피 분말을 대 상으로 배출 특성을 검토하였다. Fig. 1은 커피 분말에 서 배출되는 VOCs 배출특성 분석을 위해 고안된 방 출실험 구성도를 나타낸 것이다. 방출실험은 항온 (20 ± 2°C) 항습(50 ± 5%)이 유지되는 분석조건을 유 지하였다. 실험은 200 ml 임핀저 병에 가공된 커피 분 말 150 ml를 충전시킨 후 처리된 청정공기(zero-air, 99.999%)를 수분트랩과 탄화수소 트랩을 거쳐 1,000 ml/ min을 유입시켰다. 그리고 임핀저를 거쳐 커피향을 함유한 공기 중 25 ml/min만 PTR-ToF-MS로 유입시켰 고, 나머지 과량의 가스는 외부로 배출시켰다. 실험계 통의 유량은 질량 유량계(mass flow meter, MFM)와 유 량조절기(mass flow controller, MFC)를 통해 일정한 유 량을 유지하였다. PTR-ToF-MS는 장비내부에 장착된 MFC를 통해 유입 유량을 일정하게 유지하였다. 실험 계통에 청정공기를 주입하여, 초기 1분은 실험 계통 에 잔류하는 물질의 영향을 배제하기 위하여 자료 수 집을 실시하지 않았으며, 이후 90분 동안 1초 간격으 로 VOCs에 대한 비행시간 질량스펙트럼을 실시간으 로 측정하였다.

    3. 연구결과

    3.1 커피 분말의 평균 VOCs 비행시간 질량스펙트럼

    임핀저를 이용한 커피 원두 분말에 대하여 90분간 방출시험을 통해 획득한 VOCs 물질의 비행시간 질 량스펙트럼 결과를 평균하여 Fig. 2에 제시하였다. 그 림에서 y축은 측정된 이온의 세기(count per second, CPS)를 나타내고, x축은 측정된 이온의 질량대하전비 (m/z, mass of charge)를 나타낸다. 측정된 이온의 평균 질량스펙트럼 분포는 m/z 41에서 약 m/z 150 영역에 걸쳐서, CPS 값이 2,000 이상의 물질들이 다수 확인되 었다. 특히 전체 m/z 범위에서 m/z 80과 m/z 81에서 가 장 큰 이온의 세기를 나타냈으며, 이것은 로스팅한 커 피 제품에서 주로 발생되는 pyridine과 pyrazine에 해 당하는 물질이다. 그 다음 m/z 43에서 3번째로 가장 큰 신호가 확인되었고, 해당 물질은 acetaldehyde이다. 그리고 m/z 101과 m/z 95에서 각각 acetylpropionyl과 methylpyrazne이 검출되었고, 각각 4, 5번째의 높은 이 온세기를 보여주는 특징을 나타냈다. 이와 같은 평균 화된 스펙트럼은 개별 원두 분말의 원산지를 분류 및 구분하는 방법으로도 이용되고 있으며, 로스팅이 완 료된 커피의 주요 VOCs는 pyridine과 pyrazine으로 본 연구의 결과와 일치하였다(Caporaso et al, 2018). 그러 나 본 연구에서는 아라비카 원두 시료 1개에 대해 수 행하여 대표성에 대한 한계점이 있으며, 추후 다양한 시료를 실험하여 비교가 필요하다.

    3.2 방출시간에 따른 VOCs 농도 분포 특징

    커피 원두는 커피가 생산되는 지역의 토질이나 환 경이 따라 매우 다양한 품종이 생산되고 있으며, 이 원두를 처리·가공하는 과정에서 다양한 향기를 내게 되며, 여기에는 수백종의 VOCs가 포함되어 있다.

    Fig. 3은 원두분말이 포함되어 있는 방출시스템에 깨끗한 공기(zero air)를 주입시켜서 90분간 방출농도 를 측정한 결과이다. X축은 방출실험 지속시간을, Y 축은 개별 VOC 물질의 농도를 나타냈다. Fig. 3과 같 이 VOCs 물질을 방출 수준과 형태에 따라 크게 3개 부분으로 나눌 수 있다. 방출시험 초기에 4만 ppb 이 상으로 올라가는 그룹 1(5개 물질)과 1만~3만 ppb 사 이의 농도를 가지는 그룹 2 (7개 물질), 그리고 마지막 으로 농도 1만 이하의 변화를 나타내는 그룹 3으로 구 분된다. 3개 그룹 모두 방출시험 시작하자마자 3초 이 내로 최대값을 보이고 감소하는 경향을 보이며, 약 1,000 초(16분정도) 이후 일정한 수준을 보였다. 방출농도 의 감소 폭은 그룹 1부터, 그룹 2, 그룹 3 순으로 나타 났다. 그룹 1은 acetaldehyde, propanal, isobutanal, propionic acid, pyrazine이고, 그룹 2는 acetic acid, pyridine, isopentanal, butanoic acid, methylpyrazine, acetylpropionyl, 2,5-dimethylpyrazine, 그룹 3은 2- Ethyl-3-methylpyrazine으로 확인되었다. 앞서 비행시 간 질량스펙트럼 분석시 가장 큰 이온세기를 나타낸 pyridine은 시간에 따른 방출실험에서 그룹 2에, 두 번 째로 높은 세기를 나타낸 pyrazine은 그룹 1에 포함되 었다. 세 번째로 높은 이온세기를 보였던 acetaldehyde 은 그룹 1에 속한 반면, methylpyrazine과 acetylpropionyl은 그룹 2으로 나타났다. 시간에 따른 VOCs 농 도는 Fig. 2의 평균 스펙트럼 분포와 차이를 보이는 것 을 알 수 있다. 즉 방출실험에서 acetaldehyde가 포함 된 Group 1의 물질들은 대부분 초기 농도가 높고 공 급 공기와 접촉하면서 커피 분말 표면에서 빠르게 탈 착되어 방출되는 특징을 보였으며, Group 2는 Group 1보다 방출농도가 비교적 낮은 수준에서 상대적으로 안정한 특징을 나타냈다.

    Table 2는 실험기간동안 각 VOC 물질들의 농도변 화를 나타낸 것이다. 방출실험 시작과 함께 3초 이내 로 대부분의 물질들의 농도가 급속도록 증가하고, 그 중 acetaldehyde가 78 ppm으로 가장 높은 농도를 보였 다. 그 외에는 그룹 1에 속하는 물질들이 각각 propionic acid 61 ppm, propanal 51 ppm, isobutanal 50 ppm 순 으로 증가하고, 그룹 2에서는 acetic acid가 24 ppm으 로 가장 높은 농도를 보였고, 그 뒤를 이어 acetylpropionyl과 methylpyrazine이 22 ppm, pyridine 21 ppm 등으로 12 ppm~24 ppm 수준의 농도증가를 나타냈다. 그룹 3인 2-ethyl-3-methylpyrazine 유일하게 3 ppm 수 준의 낮은 농도증가를 보였다. Fig. 3에 시간변화에 따 른 구간을 A, B, C의 3개 지점으로 구분하였다. A는 초 기 가장 고농도를 나타내는 3초대 농도이고, B는 100 초대, C는 배출된 농도의 감소세가 줄어들어 일정 수 준의 농도를 보이는 구간으로 5,400 초(90분)의 결과 이다. 방출실험을 통해 오염물질의 방출이 안정기에 접어들어 측정된 농도의 변화가 매우 적은 C 지점의 농도가 가장 낮다는 전제하에 A, B 지점과 비교하였 을 때 Group 1에 속하는 isobutanal의 A지점 농도는 C 지점 대비 154배 높은 농도를 보였고, acetaldehyde 96 배, propanal 72배로 농도감소의 폭이 가장 큰 물질로 확인되었다. 초기 A 지점 이후부터 꾸준한 농도감소 가 관측되는데 100초가 지난 시점에서 가장 농도가 높 았던 acetaldehyde는 60.4%가 감소하였고, acetic acid 67.7%, isobutanal과 propionic acid가 각각 58.0%와 57.4% 감소하였다. 반면 isopentanal은 4.1%로 가장 낮 은 감소율을 보였고, pyridine과 acetylpropionyl이 각 각 23.6%와 23.3%로 나타났다.

    로스팅된 커피의 VOCs에서 가장 높은 비율을 차지 하는 pyrazine 그룹은 익힌 시금치(cooked spinach), 썩 은 땅콩(rancid peanuts) 냄새로 인지되는 물질에 해당 한다(Caporaso et al., 2018). 본 연구 결과 pyrazine의 초기 농도는 약 43 ppm으로 그룹1에서는 가장 낮았 지만, 방출시험의 종료 시에 약 3 ppm으로 가장 높은 농도 수준을 보였다. 커피의 향과 관련된 주요 물질 이외에 aldehyde 및 acid 류의 경우, 냄새를 유발할 수 있으며, 본 연구에서 측정한 물질을 환경부의 지정악 취물질 22종과 비교하면 6가지 물질이 해당하는 것으 로 파악된다. 6가지 물질은 acetaldehyde, propanal, isobutanal, isopentanal, butanoic acid이며, 그 이외의 물질은 분류되어 있지 않다(ME, 2005). Table 2에 제시 된 최소감지농도와 검토해 보면 6가지 물질 모두 후 각적으로 감지할 수 있으면서, 매우 높은 수준으로, 장 기간 노출시 후각적인 피로에 영향을 미칠 수 있을 것 으로 판단된다. 커피에서 고농도로 확인되는 VOCs는 커피 자체의 향기와 함께 지정악취물질을 다량 포함 하고 있음을 확인하였으며, 커피에서 발생하는 복합 적인 냄새를 평가하기 위하여 악취지수와 관련된 연 구를 수행할 필요가 있다.

    3.3 VOCs 방출농도 수준에 대한 고찰

    본 연구에서는 방출실험을 통해 시간에 따른 VOCs 및 화학 기능기 그룹별로 농도 수준과 그 변화를 파 악하였으며, VOCs는 시간에 따라 농도 수준은 감소 하는 특징을 나타냈다. 초기 VOCs 농도는 수 ppm에 서 수십 ppm 수준의 초기 농도(2~31 ppm)를 나타냈 으며, 방출실험 종료시에는 대부분의 VOCs가 감소하 여 수 ppm 이내의 수준(~3 ppm)으로 감소하였다. 이 것은 최초 커피 표면에 흡착된 VOCs가 방출실험을 통해 공급된 청정공기와 접촉하면서 표면 탈착되어 빠르게 감소하였으며, 시간이 경과함에 따라 표면방 출 효과가 감소하고 이후에는 고상-기상 확산에 따른 조건에서 방출 속도는 감소한 것으로 사료된다(Colzi et al., 2019). 추후 정확한 방출량 산정을 위해서는 소 형챔버시험과 같은 방출강도 연구가 수행될 필요가 있다. 본 연구에서 실험한 재료는 로스팅이 완료된 상 업용 시제품으로, 실제 로스팅에서 배출되는 VOCs와 비교하기에는 한계점이 있으나, 커피숍에서 종사하 는 근로자의 경우 본 실험과 유사한 형태의 가공된 제 품을 이용함에 따라 노출되는 물질의 유사성을 확보 할 수 있을 것으로 생각된다.

    본 연구에서 선정한 13개 물질은 로스팅된 커피 원 두의 VOCs 분석물질 중에서도 주요한 물질들에 해 당하며, 품종, 원산지, 생육조건, 가공방법에 따라 그 차이는 있지만 주로 로스팅 과정에서 적용되는 시간 에 따른 온도변화 조건이 최종 커피 향의 구성에 가 장 큰 영향을 미치게 된다(Caporaso et al., 2018). 이러 한 커피향에서 포함되어 배출되는 VOCs들은 향기 자 체만의 작용을 하여 인체에 무해한 물질들이 있는 반 면, 인체 접촉시 위해성이 큰 물질들도 있다. 본 연구 에서 대상물질로 선정된 13종 중에서도 aldehyde 그 룹의 isobutanal, isopentanal과 pyrazin 그룹의 pyrazine, methylpyrazine, 2,5-dimethyl pyrazine, 2-ethyl- 3-methylpyrazine 등의 6종은 커피의 맛에 관계하며, 향 기를 발생하는 물질로 인체에 위해성이 없는 것으로 알려져 있으나, 그 외 7종은 인체 접촉시 호흡곤란이 나 경련, 호흡기 마비, 피부자극, 알레기반응, 눈에 염 증이나 각막 손실 등의 다양한 건강 위해를 나탄낸다 (Ernstgard et al., 2006;Al-Lahham et al., 2010;Phee, 2011;Sinharoy et al., 2019). 그러므로, 본 연구결과에 서 측정한 VOCs 물질에 대한 농도 수준과 인체 위해 성에 따라 커피산업에 종사하는 근로자들의 반복노 출에 의한 건강영향을 관리해야 할 필요가 있을 것으 로 생각된다.

    VOCs에 노출되는 커피산업 근로자의 영향을 분석 하기 위해, 각각의 VOCs 물질에 대하여 작업환경 노 출기준이 설정되어 있는 물질을 정리하여 Table 3에 나타냈다. 국내에서는 고용노동부에서 고시한 “화학 물질 및 물리적 인자의 노출기준”의 별표 1에 근거하 여 <화학물질의 노출기준>이 제정되어 있으며, 국외 에서는 미국산업안전보건연구원(national institute of occpational safety and health, NIOSH)와 직업안전위생 국(occupational safety and health administration, OSHA)의 작업장 노출기준인 RELs (recommended exposure limits)과 PELs(permissible exposure limits) 에 의한 관리기준이 준용되고 있다(Lee et al., 2019). 작 업환경 기준에는 크게 3가지로 분류되는데 1일 8시간 을 기준으로 산정되는 시간가중평균노출기준(time weighted average, TWA)과 15분의 단기간 노출에 대한 기준인 단시간노출기준(short term exposure limits, STEL), 그리고 하루 중 단 한번이라도 넘겨서는 안되 는 천정치(Celiling, C)가 있다. 그 중 작업환경에 대해 서는 대부분 TWA가 적용되고 있으나, 커피 원두 가 공공정 등에서 순간적으로 배출되는 고농도 수준을 고려한다면, STEL과 C에 대한 관리가 필요할 것으로 판단된다. 국내기준과 NIOSH 및 OSHA 기준을 확인 한 결과 C에 대한 기준은 존재하지 않았고, TWA만이 4개 물질 모두 존재하였다. 본 연구에서는 작업환경 전체를 대상으로 하는 것이 아닌 순간적인 배출에 대 해 초점을 맞춰서 진행했기 때문에 STEL에 대해서만 비교분석을 실시하였다. 실험결과는 고농도 배출이 초기에 나타나는 것을 감안하여 15분 값을 방출실험 초기 15분 평균농도로 산정하였다. Acetaldehyde의 경 우 NIOSH와 국내 STEL이 150 ppm으로 기준값이 존 재하였고, OSHA의 경우 존재하지 않았다. 실험결과 15분 최대평균농도는 15.8 ppm으로 기준치의 1/10 수 준으로 나타났다. Propionic acid과 acetic acid 역시 NIOSH와 국내 STEL이 15 ppm으로 규제하고 있으며, OSHA는 관련 규제가 없었다. 본 실험은 로스팅과정 에서 배출되는 VOCs를 근로자 관점에서 노출평가하 였다. 본 실험 결과 두 물질 모두 기준치의 2/3와 1/3 수준으로 기준농도를 만족하는 것으로 나타났다. Pyridine은 acetaldehyde과 함께 발암물질로 알려져 있 는데 STEL에 대한 기준치는 어느 곳에도 존재하지 않 았고, TWA만이 NIOSH, OSHA, 국내 기준이 각각 5, 5, 2 ppm이었다. 본 실험방법이 작업환경측정분석에 서 제시하고 있는 공정시험법과 상이하기 때문에 추 후 관련 공정시험법 등과의 비교분석이 필요할 것으 로 판단된다. 하지만 본 실험에서 pyridine의 농도가 7 ppm으로 TWA 수준에 근접한 만큼 이에 대한 관심 과 관리가 필요하다.

    4. 결 론

    커피는 전 세계인이 가장 즐겨먹는 기호식품으로 21세기 들어 전 세계의 커피시장은 날로 증가하고 있 다. 커피는 원두의 재배지와 로스팅 과정에서 다양한 향과 맛을 가지며, 이 과정에서 의도치 않은 다양한 VOCs가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 로스팅이 완 료된 아라비카 커피 분말에서 발생하는 VOCs에 대 한 실시간 방출농도를 측정하였고, 다음과 같은 결론 을 도출하였다.

    1. 시간에 따른 방출실험결과 VOCs에 대한 평균 비 행시간 질량스펙트럼은 pyridine과 pyrazine, acetaldehyde, acetylpropionyl, 및 methylpyrazne 의 구성 비율이 높은 특징을 나타냈으며, 로스팅 된 커피의 주요성분으로 알려져 있는 CxHyNq로 구성된 pyrazine 화합물이 주요한 성분으로 나타 났다. 초기농도는 CxHyOz로 구성된 Aldehyde 그 룹이 비교적 높은 특징을 보였으며, 시간에 따른 오염물질의 농도변화는 acetaldehyde, propanal, isobutanal, propionic acid 및 pyrazine이 큰 물질 들로 확인되었다.

    2. 방출실험 결과 순간적인 최대 농도 수준은 aldehyde 계열의 acetaldehyde가 78 ppm으로 가장 높은 농 도를 보였고, 그 뒤를 이어 acid 계열의 propionic acid이 61 ppm, aldehyde 계열의 propanal과 isobutanal이 각각 51 ppm, 50 ppm 순으로 나타났다. 화학적 기능 그룹의 aldehyde 계열과 acid 계열의 초기 농도가 높은 특징을 보였다. 최대농도 대비 방출량이 안정된 후의 농도 수준은 aldehyde 계 열의 isobutanal 154, acetaldehyde 96, propanal 72배 차이를 보여, 다른 물질들보다 aldehyde 계 열의 물질이 커피 분말에서 빠르게 방출되는 특 징을 나타냈다.

    3. 커피향에 포함되어 있는 VOCs 물질을 대상으로 국내외 작업장 배출허용기준과 비교·분석하였고, 그 결과 4개 물질에 대해 TWA를 확인할 수 있었 다. 기준치가 존재하는 acetaldehyde와 propionic acid, acetic acid의 경우 모두 배출허용기준의 10%~33% 농도 수준인 반면, 발암물질로 알려진 pyridine의 경우 7 ppm으로 NIOSH나 OSHA의 기 준치를 초과하는 것으로 나타나 향후 해당물질 에 대한 관심과 관리가 필요할 것으로 판단된다.

    커피의 맛과 향과 관계된 VOCs 물질은 로스팅과정 이 가장 큰 영향을 미치며, 이 과정에서 다량의 VOCs 가 배출된다. 또한 로스팅이 완료된 후 상업용으로 사 용되는 커피 분말을 다루는 과정에서도 커피 분말에 포함된 VOCs는 작업환경으로 확산되어 근로자에게 영향을 미칠 수 있다. 본 연구는 국내 시판 중인 아라 비카 커피 분말을 대상으로 방출실험을 통해 실시간 으로 VOCs를 분석을 수행하여 농도변화를 파악하여 노출 수준과 비교하였다. 본 연구의 단편적인 결과만 으로 전체 커피 가공공정과 사용과정에서 발생하는 VOCs의 배출 특성을 단정할 수 없는 한계점이 있지 만, 상업용으로 시판되는 커피 분말에서 초기 수십 ppm 수준의 VOCs가 파악되었고, 시간에 따라 점진적으로 감소하였으나 이러한 제품을 다루는 과정에서 근로 자는 직접적으로 노출될 수 있으므로 주목할 필요가 있다. 추후 커피 분말에서 정확한 방출량 산정을 위 해서 제품에 대한 물리적 특성을 파악하여야 할 것이다.

    본 연구의 제한점을 극복하기 위해서 향후 다양한 제품의 로스팅 커피 분말에 대한 연구가 필요하며, 이 를 통해 제품별 방출량을 제시할 필요가 있다. 또한 커피와 관련하여 커피 제조 공정에 대한 오염물질 배 출량 산정이 없으며, 커피산업과 관련된 연구사례가 매우 부족하여, 실내환경뿐만 아니라 대기환경에 미 치는 영향을 정확히 파악할 수 없다. 그러므로, 커피 제조 공정에서 배출되는 악취 및 VOCs 특성을 파악 하고, 동시에 커피 종사자 및 근로자의 건강을 보호 하기 위해서 지속적인 관심과 관련 연구가 수행되어 야 할 것이다.

    감사의 글

    본 논문은 환경부의 재원으로 국립환경과학원의 지 원을 받아 수행된 과제(NIER-2022-04-02-087)의 일부 결과이며, 측정에 협조해주신 ㈜에이피엠엔지니어링 에 감사드립니다.

    Figure

    JOIE-21-3-181_F1.gif

    Setup view of simple emission test using impinger system.

    JOIE-21-3-181_F2.gif

    Averaged VOCs time-of-flight mass spectrum by impinger test with coffee bin powder.

    JOIE-21-3-181_F3.gif

    VOCs concentration emitted from coffee bin power by impinger system.

    Table

    Characteristics of major VOCs targeted in this study

    Concentration change of each VOC before/after emission test

    Exposure limits of several VOC substances

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