커피 포장에서 플라스틱 단일 소재 적용 가능성 평가 및 저장수명 설정 = Applicability of polyethylene-based single-material packaging for coffee: gas barrier performance and shelf-life assessment

국문 초록 (Abstract)

커피 원두는 로스팅 과정에서 세포벽 구조가 변화하며, 이 과정에서 형성된 휘발성 향미 성분과 함께 이산화탄소(CO₂)를 내부에 포함하게 된다. 로스팅 이후 저장 과정에서 CO₂는 원두 내부로부터 외부로 방출되며, 이는 포장 내부 기체 환경과 커피 품질 변화에 영향을 미친다. 산업적으로는 우수한 산소 차단성을 지닌 알루미늄(Al) 증착 포장재가 커피 저장에 널리 사용되고 있으나, 다층 구조로 인한 재활용 한계가 제기되고 있다. 이에 본 연구에서는 Al 증착 포장재와 단일 소재 기반 폴리에틸렌 포장재(PE-SM)를 대상으로 커피 저장 중 기체 특성과 품질 변화를 비교하고, 단일 소재 포장재의 커피 적용 가능성을 평가하고자 하였다.
기존에 사용하고 있는 Al 증착 포장재를 대조군으로 설정하고, PE 기반 단일 소재 포장재(Polyethylene Single Material, PE-SM)와 비교하였다. 각각 포장하여 5, 15, 25, 35 및 45 °C 조건에서 저장하였다. CO₂ 용해도는 Henry 법칙을 이용하여 산출하였으며, 저장 온도가 증가함에 따라 모든 온도 구간에서 점진적으로 감소하여 5 °C에서 약 0.10 mol·kg⁻¹·atm⁻¹, 45°C에서 약 0.06 mol·kg⁻¹·atm⁻¹ 범위를 나타냈다. 이러한 온도 의존적 용해도 변화는 저장 중 커피 원두 내부에 남아 있는 CO₂의 방출 특성에 직접적인 영향을 미치는 요인으로 작용하였다. 저장 중 CO₂ 발생량은 헤드스페이스(headspace) 내 CO₂ 농도와 용해도 값을 함께 고려하여 계산하였고, 모든 온도 조건에서 저장 초기 CO₂ 발생량이 급격히 증가한 이후 시간 경과에 따라 증가 속도가 완화되는 경향을 보였다. CO₂ 발생 데이터는 Weibull 함수로 분석하였으며, 특성 시간 상수는 온도 증가에 따라 감소하였고, 최대 CO₂ 발생량과 발생 속도는 저장 온도가 높을수록 증가하였다.
이러한 바탕으로, 실제 커피 저장 과정에서 포장재 종류에 따른 포장 내부 기체 환경 및 품질 변화를 함께 평가하였다. 포장 내부 기체 조성 분석 결과, 5, 15, 25, 35 및 45°C 조건에서 대조구와 PE-SM 포장재는 저장 초기 및 중기 동안 유사한 CO₂, O₂ 및 N₂ 분압을 나타냈으며, 저온 조건의 장기 저장 단계에서는 PE-SM 포장재에서 CO₂ 분압 감소와 함께 O₂ 및 N₂ 분압의 소량의 증가가 관찰되었다. 그러나 단기 저장 및 유통 조건에서는 두 포장재 모두 유사한 내부 기체 안정성을 유지하였다.
저장 중 pH와 총산도는 모든 온도 조건에서 제한된 범위 내에서 변화하였으며, 저장 온도에 따른 변화의 범위는 넓지 않았다. 또한 두 포장재 간에 pH 및 총산도 변화 양상은 유사하게 나타났다. 산화 반응은 과산화물가(POV)를 지표로 평가하였다. 과산화물가는 저장 온도가 높을수록 시간 경과에 따라 증가하였으며 POV 변화 데이터를 이용하여 산패 속도상수를 산출한 결과, 속도상수는 저장 온도 증가에 따라 증가하였다. ln(k)와 1/T의 관계를 이용한 Arrhenius 분석 결과, 대조구와 PE-SM 포장재의 활성화에너지는 각각 33.76 kJ·mol⁻¹과 31.87 kJ·mol⁻¹로 나타났다. Arrhenius 방정식을 적용하여 소비기한을 예측한 결과, 알루미늄 증착 포장재의 소비기한은 5, 15, 25, 35 및 45°C에서 각각 371, 224, 139, 90 및 59일로 산정되었으며, PE-SM 포장재는 동일 조건에서 각각 343, 212, 136, 89 및 60일로 산정되었다. 전반적으로 커피 품질 변화와 소비기한은 저장 온도의 영향을 크게 받았으며, 포장재 종류에 따른 차이는 제한적인 수준으로 나타났다. 본 연구 결과는 단일 소재 기반 PE-SM 포장재가 단기 저장 및 유통 조건에서 Al 증착 포장재를 대체할 수 있는 적용 가능성을 갖는다는 점을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

During coffee roasting, structural changes in the bean matrix lead to aroma formation and carbon dioxide (CO₂,) entrapment. During storage, released CO₂, alters the internal gas environment and affects coffee quality. This study evaluated the applicability of polyethylene-based single-material packaging (PE-SM) for coffee by comparing gas characteristics, quality changes, and shelf-life behavior of roasted coffee stored in conventional aluminum (Al)-metallized packaging and PE-SM packaging. Gas barrier properties of the packaging materials were first evaluated. Both packaging systems exhibited gas permeance sufficient to maintain a stable internal gas environment under short-term storage and typical distribution conditions. Based on these results, CO₂, behavior during storage was quantitatively analyzed. CO₂, solubility, calculated using Henry’s law, decreased with increasing storage temperature, ranging from approximately 0.10 mol·kg⁻¹·atm⁻¹ at 5°C to 0.06 mol·kg⁻¹·atm⁻¹ at 45°C. Total CO₂, generation was determined by combining headspace CO₂, concentration and solubility data. CO₂, generation increased rapidly during early storage and gradually approached equilibrium. The release behavior was described using the Weibull function, with a decreasing characteristic time constant and increased CO₂, generation at higher temperatures. Storage experiments evaluated coffee quality changes and shelf-life characteristics. Roasted coffee beans were packaged in Al-metallized packaging (control) and PE-SM packaging and stored at 5, 15, 25, 35, and 45°C. Quality changes were assessed using pH, titratable acidity, and peroxide value (POV). pH and titratable acidity showed minimal variation, whereas oxidative stability evaluated by POV decreased with increasing storage temperature. Shelf-life prediction was performed using the Arrhenius equation based on the temperature dependence of oxidation rate constants. Activation energies were 33.76 kJ·mol⁻¹ for the control and 31.87 kJ·mol⁻¹ for PE-SM packaging. Predicted shelf lives of the control were 371, 224, 139, 90, and 59 days at 5, 15, 25, 35, and 45°C, respectively, while those of PE-SM packaging were 343, 212, 136, 89, and 60 days under the same conditions. These results demonstrate that shelf-life prediction based on integrated consideration of packaging gas permeance, CO₂ solubility and generation behavior, and quality changes during storage is feasible, indicating the applicability of polyethylene-based single-material packaging for coffee products.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약 = ⅵ
• Ⅰ. 서론 = 1
• Ⅱ. 플라스틱 단일 소재 포장재의 기체 투과성 = 3
• 2.1 연구 동기 및 목적 = 3
• 2.2 재료 및 방법 = 4
• 2.3 결과 및 고찰 = 6
• Ⅲ. 커피의 CO₂ 용해도 및 발생량 = 9
• 3.1 연구 동기 및 목적 = 9
• 3.2 재료 및 방법 = 10
• 3.3 결과 및 고찰 = 13
• Ⅳ. 플라스틱 단일소재 포장재의 커피 저장 = 18
• 4.1 연구 동기 및 목적 = 18
• 4.2 재료 및 방법 = 19
• 4.3 결과 및 고찰 = 22
• Ⅴ. 결론 = 41
• REFERENCES = 43
• ABSTRACT = 46