맥주 제조 기본 재료_물_물의 경도(Dureté), 알칼리도(Alcalinité), 이온(Ions)과 미네랄(sels minéraux)

맥주 제조 기본 재료_물_물의 경도(Dureté), 알칼리도(Alcalinité), 이온(Ions)과 미네랄(sels minéraux)

 

맥주 양조에 있어 필요 불가결한 재료 중 하나가 물이다. 이전 관련 글에서 살펴 보았듯이 맥주 양조(brassage)를 위한 물은 음용이 가능해야한다. 하지만 음용이 가능하다는 것만으로는 충분하지 않다. 물에 포함된 다양한 요소와 성분들이 맥주 양조 과정에서 역할을 하면서 영향을 미친다. 맥즙(moût) 의 pH, 경도(Dureté) 가 효모(levure) 의 물질대사(métabolisme)에 해로운 영향을 미칠 수도 있다. 따라서 사용하는 음용수에 대한 성분 분석표를 확인하고 필요시 다양한 물질들을 적합하게 조정하는 것이 필요하다.

 

<물의 경도(dureté)>

 

물의 경도(dureté)는 물속에 용해되어 있는 칼슘(Ca)과 마그네슘(Mg) 이온의 농도를 의미한다.

 

센물 또는 경수(eau dure) 는 많은 칼슘과 마그네슘 이온을 포함한다고 보면 좋고,

연수(eau douce)는 상대적으로 적은 칼슘과 마그네슘 이온을 포함한다.

 

경도의 측정은 탄산칼슘(carbonate de calcium)(CaCO₃)의 리터당 밀리그램(mg/l) 또는 ppm(1mg/l = 1ppm)으로 한다.

 

0~50ppm 은 강연수

50~100ppm 은 연수

100/200ppm 은 적당한 경수

200~300ppm 은 경수

300ppm 이상은 강경수 로 나눠 볼 수 있고,

 

WHO 의 경우 120ppm(120mg/L)를 기준으로 이하면 연수, 이상이면 경수로 규정한다.

 

경도(dureté) 또는 전경도(dureté totale)는 일시 경도(dureté temporaire=alcalinité / dureté carbonatée)와 영구 경도(dureté permanente / dureté non carbonatée)로 나눠 볼 수 있다.

 

일시 경도(dureté temporaire=alcalinité / dureté carbonatée)는 물을 끓였을 때 포함된 중탄산염등이 분해되어 탄산염으로 가라앉아서 물의 경도가 작아지고 연화되어 경도가 감소 될 경우를 지칭한다.

 

즉 중탄산칼슘(탄산수소칼슘) Ca(HCO₃)₂ → 탄산칼슘 CaCO₃ ↓ + 이산화탄소 CO₂ +  물 H₂O

 

영구 경도(dureté permanente / dureté non carbonatée)는 끓여도 분해 되지 않는 황산염/염화물(황산칼슘 Sulfate de calcium (CaSO₄) / 황산마그네슘 Sulfate de magnésium (MgSO₄))이 존재하고 경도에 변화가 오지 않는 경우를 지칭한다. 

 

프랑스 및 벨기에 경도 단위로 °fH를 사용하고, 1°fH( 1 degré français) 는 물 1리터에 10mg의 탄산칼슘(CaCO₃)이 포함된 상태를 의미합니다.

 

1°fH( 1 degré français) 는 구체적으로 살펴보면 칼슘(calcium) 4mg/l, 마그네슘(magnésium) 2.43mg/l, 탄산칼슘(carbonate de calcium) 10mg/l(10ppm), 탄산칼슘 0.1밀리몰(mmol)/l, 탄산칼슘 0.2 még/l(mEq/l)이 포함되었을때를 의미한다. 독일경도 (°dH) 0.56 °dH과 일치한다.

 

<알칼리도(Alcalinité)>

 

알칼리도(Alcalinité)는 맥주양조에서 핵심적인 물의 특성을 이해하고 적절히 사용하는데 중요합니다.
알칼리도는 약한 염기의 전하 합계를 나타내는 지표로, 다음과 같은 이온들로 구성됩니다:

HCO₃⁻ (중탄산염, bicarbonates)
CO₃²⁻ (탄산염, carbonates)
Ca²⁺ (칼슘 이온)
Mg²⁺ (마그네슘 이온)

알칼리도는 물의 pH와는 다릅니다. pH는 수소 이온(ions hydroxydes) 농도를 나타내는 반면, 알칼리도는 물이 산성을 중화할 수 있는 완충 용량(Buffering capacity)을 의미합니다.

pH와 알칼리도의 차이를 설명하면,  pH는 물이 산성(pH < 7)인지 염기성(pH > 7)인지를 나타냅니다.
알칼리도(Alcalinité)는 단순히 OH⁻(수산화 이온)의 농도만 고려하지 않고, 중탄산염(HCO₃⁻), 탄산염(CO₃²⁻) 같은 약한 염기의 총량을 평가합니다. 이는 물이 산성화에 저항하는 능력과 관련 있습니다.

알칼리도 (Alcalinité)의 단위는 일반적으로 CaCO₃ (탄산칼슘, Calcaire)에 대한 등가(ppm 단위)로 측정됩니다.

예: 1 ppm CaCO₃는 1mg/L의 탄산칼슘 농도를 의미합니다.
실험적으로 알칼리도를 추정하는 방법:
[알칼리도 (CaCO₃ 등가)] = [HCO₃⁻] × 50/61 (ppm 단위)

 

맥주 양조에서 알칼리도(Alcalinité) 역시  중요한 요소인데 효소작용 관련하여, 맥즙 당화 과정에서 효소는 특정 pH 범위(5.2~5.6)에서 가장 잘 작동합니다. 하지만 알칼리도가 높으면 pH가 쉽게 낮아지지 않아 효소 활성이 저하될 수 있습니다.

 

맥주 특유의 씁쓸한 맛을 내는 홉의 이성화(Isomérisation) 관련 홉의 알파산(α-acids)이 쓴맛을 내는 이소알파산으로 변환되는 과정은 pH 5.2~5.6 범위에서 최적화됩니다. 역시 높은 알칼리도는 이 과정을 방해할 수 있습니다.

 

따라서 알칼리도를 적정 수준으로 유지하고 높아지지 않도록 완충작용이 필요합니다.
알칼리도가 높으면 물의 산성화가 어렵습니다. 이를 조정하기 위해 산을 추가하거나 산성 맥아를 사용하는 방법이 필요할 수 있습니다.

<이온(Ions)과 미네랄(Sels minéraux)>

이온(Ions)은 물속에 용해된 양전하(양이온, cations) 또는 음전하(음이온, anions)를 가진 원자(atome), 원자 그룹, 또는 분자입니다. 맥주 양조에서 이온은 물의 화학적 특성(경조, pH, 알칼리도 등)을 경절하며, 효소 작용, 홉 이성화, 맥주의 맛과 질감에 직접적이 영향을 미칩니다.

 

명칭	화학식	추천농도	역할 및 설명
칼슘(Calcium)	Ca²⁺	50~150 ppm	- 효소 활성화 및 맥즙 pH를 낮춰줌. - 맥주의 안정성 향상 및 맑음. - 마그네슘과 함께 물의 경도를 결정
마그네슘(Magnesium)	Mg²⁺	0~30 ppm	- 효소 작용에 필수적 - 효모에 매우 중요한 영양물(nutriment) - 과도한 농도는 쓴맛, 과한 신맛을 유발 - 칼슘과 함께 물의 경도를 결정
중탄산염(Bicarbonate) (Alcalinité totale)	HCO₃⁻	0~100 ppm	- 맥즙 혹은 맥주의 pH를 높이며 알칼리도에 영향을 미치며 눈에 띄는 맛의 수렴성(astringence) 야기 - 다크 맥주에 유리
나트륨(Sodium)	Na⁺	0~100 ppm	- 맥주 맛에 부드러움을 부여. - 너무 많으면 짠맛, 불편한 금속성 맛 유발.
염화물(Chloride, Chlorure)	Cl⁻	50~150 ppm	- 맥주의 풍부함, 달콤함, 부드러움, 몰트향등의 차원을 강조시킴 - 너무 많으면 양조 장비 부식 야기
황산(Sulfate)	SO₄²⁻	50~400 ppm	- 홉의 쓴맛을 강조 - 드라이한 마무리 느낌 제공

 

<미네랄(Sel minéraux)>

미네랄 혹은 광물질은 이온들이 결합하여 형성된 화합물로, 맥주 양조 시 물속에 포함된 주요 성분입니다. 광물질이 보통 화학적 구성과 물리적 특성을 강조하는 용어이고, 미네랄은 영양소나 생리적 역할에 좀더 중점을 두는 경우가 많습니다. 맥주 양조에서 좀더 쉬운 이해를 돕기 위해 미네랄이란 용어를 사용할 수 있습니다. 미네랄은 이온과 마찬가지로 물의 경도, 알칼리도, 그리고 맥주의 풍미에 영향을 미칩니다.

 

명칭	화학식	1g/l 당 이온농도	역할 및 설명
황산칼슘 (Sulfate de Calcium) (석고 gypse)	CaSO₄·2H₂O 이수화물 (Dihydrate)	232.8 ppm Ca²⁺  557.7 ppm SO₄²⁻	- 맥즙 산성화, 효소 작용 지원 - 맥즙 맑게하기 지원 즉, 맥즙 끓이는 과정에서 단백질과 폴리페놀이 응집되 생기는 불순물층(cassure)이 잘 형성되도록 역할 - 맛을 명확하게 하는데 기여하고, 물의 경도에 역할
황산마그네슘 (Sulfate de Magnésium)  (영국 에프솜 소금 sel d'Epsom)	MgSO₄·7H₂O 칠수화물 (Heptahydrate)	98.6 ppm Mg²⁺ 389.6 ppm  SO₄²⁻	- 황산염으로 쓴맛 강화 - 마그네슘으로 효소 활성화 - 과도한 농도는 쓴맛 유발
염화칼슘 (Chlorure de Calcium)	CaCl₂·2H₂O 이수화물 (Dihydrate)	272.6 ppm Ca²⁺  482.3 ppm Cl⁻	- 부드러움과 바디감 향상 - Empâtage 과정에서 칼슘 이온으로 pH 낮춤 - 맥주를 더 맑게 만듬
염화마그네슘 (Chlorure de Magnésium)	MgCl₂·6H₂O 육수화물 (Hexahydrate)	119.5 ppm Mg²⁺ 348.7 ppm Cl⁻	- 효소 활성화 및 발효 돕기 - 염화물로 부드러움과 바디감 추가 - Empâtage 과정에서 칼슘 이온으로 pH 낮춤
염화나트륨 (Chlorure de Sodium)	NaCl 무수 (Anhydrous)	393.4 ppm Na⁺ 606.6 ppm Cl⁻	- 부드러움과 미묘한 단맛 부여 - 바디감 향상 - 너무 많으면 짠맛 유발

 

앞에서 살펴본것 처럼 맥주 양조에서 물의 조성(Sels minéraux, Ions, pH 등)은 맥주의 맛, 향, 질감, 심지어 색깔에까지 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 

미네랄과 이온은 물의 화학적 특성을 결정하며, 맥주의 맛과 질감에 중요한 영향을 미칩니다.
물 속의 특정 이온의 농도는 맥주의 스타일에 맞게 조정해야 합니다. 각 스타일마다 요구하는 물의 조성이 다르기 때문입니다.
pH 역시 맥주의 스타일에 영향을 미치며, 맥즙의 pH는 효소 활동과 발효 품질에 중요한 영향을 미칩니다.
이상적인 pH 범위( 당화(Mash): 약 5.2~5.6  / 끓이는 과정(Ebullition): 약 5.0~5.4 ) 를 확인하여 적절히 유지하는 것이 중요합니다. 이러한 범위를 유지하면 맥주의 맑기와 맛이 향상됩니다.

 

어두운 맥주(스타우트, 포터 등) 에는 몰트(맥아)를 생산하는 과정(maltage)에서 젖산(Acide lactique)에서 기인하는 산성도로 인해 맥즙이 산성화 되는 경향이 있는 로스팅 몰트(맥아)가 사용되고 따라서 산도가 높습니다.

이 경우, 맥즙이 지나치게 산성화되지 않도록 중탄산염(HCO₃⁻) 같은 이온을 통해 알칼리성을 조정합니다.
결과적으로 맥즙의 pH를 적절하게 유지해 균형 잡힌 맛을 제공합니다.
밝은 맥주(예: 페일 에일, 라거)에서는 홉과 맥아의 특성을 살리기 위해 황산염(SO₄²⁻) 이온을 추가해 쓴맛을 강조하거나, 염화물(Cl⁻)로 부드러운 질감을 더합니다.

스타일에 따른 이온 농도 조정 예를 들어보면, 
o 흑맥주(스타우트, 포터)
  - 높은 알칼리도가 필요 (중탄산염이 높아야 함).
  - 어두운 맥아의 산도를 중화해 맛의 균형을 맞춤.
 o IPA
  - 높은 황산염(SO₄²⁻) 농도로 홉의 쓴맛과 드라이한 특성 강조.
 o 페일 에일
  - 중간 수준의 황산염과 염화물 균형으로 쓴맛과 부드러움을 조화.

 

다시한번 관련사항 확인 정리해본다면, 맥주 양조에서 물의 pH와 미네랄 함량은 최적의 당화(Saccharification)와 맥주의 품질에 핵심적인 요소입니다. 

 

Saccharification(당화)의 적정 pH 범위로는 5.2~5.6 사이가 이상적입니다. 효소(특히 아밀레이스)가 가장 효과적으로 작용하는 pH 범위이고,  효율적인 당화와 높은 발효도를 보장합니다.

pH가 적절하지 않을 경우, pH가 너무 높을 때 (염기성) 맛의 관점에서는 맥아의 맛이 약해지고 홉의 쓴맛이 과도하게 공격적으로 표출 됩니다. 색의 경우 예상보다 더 어두운 맥주가 만들어질 수 있고 높은 pH에서 Maillard 반응(아미노산과 당의 열 반응)이 더 활발히 일어나 색이 짙어 질 수 있습니다. 그리고 효모가 잘 응집(flocculation)되지 않아 발효 후 침전물이 제대로 형성되지 않습니다.

 

반면, pH가 너무 낮을 때 (산성성) 맛은 로스팅된 맥아의 쓴맛과 신맛이 더 두드러지고, 맥주의 바디감이 낮고, 홉의 쓴맛이 약해질 수 있습니다. 양조 효율성의 관점에서는 당화 효율이 감소하고 홉의 알파산 이성화 효율 역시 감소 할 수 있습니다.

결과적으로  pH가 너무 높거나 낮을 때의 공통적으로 이성화 감소로 홉의 쓴맛을 제공하는 알파산이 제대로 이성화 되지 않아 맥주의 균형이 깨질 수 있고 단백질 응집 문제로 맥주의 탁도가 높아질 수 있습니다. 또한 높은 pH에서 Maillard 반응과 Strecker 반응이 활발해져 맥주의 색이 어두워지고 맛이 예상과 다르게 변질됨.

원하는 유형의 맥주를 생산하고 양조효율을 높이기 위해 pH 조정이 필요하고, pH가 너무 낮을 때 (산성일 때)
NaHCO₃ (탄산수소나트륨, 베이킹소다) 추가하여 알칼리도를 증가시켜 pH를 높일수있고, 산성도를 증가시킬 수 있는 로스팅 맥아(다크 몰트) 비율 감소시키는 것도 pH가 낮아 산성일때 효과적일 수 있다.

 

반면 pH 너무 높을 때 (염기성일 때)는 젖산(Lactic Acid) 추가하여 안전하고 자연스럽게 pH를 낮출 수 있다. 또한 다크 몰트 를 추가(최대 10% 이내로) 하여 산성을 부여할 수 있다. 하지만 과도한 사용은 맛에 부정적인 영향을 줄 수 있어 주의가 필요하다. 근본적으로 사용하는 물의 알칼리도를 감소 시키는 것도 효과적이다.

 

물의 알칼리도 감소하는 방법은 우선 물을 끓이는 방법이다. 물을 끓이면 칼슘 (Ca²⁺)이 침전되어 알칼리도가 감소합니다.

탈이온화수(Demineralized Water) 와 혼합하여 알칼리도를 희석하는 것도 방법입니다. 그리고 칼슘(Ca²⁺) 또는 마그네슘(Mg²⁺) 추가하여 물의 화학 조성을 조정할 수도 있습니다.