[Myths Breaker] 잔에서 변모하는 와인... 그 비밀은? - 향미분자들의 증기압에 관한 고찰 : TCA는 왜 안 사라지나요?

 

 

혼합용액이 상온(25°C)에서 공기 중에 노출되면, 각 화합물의 증발과 농도 변화는 여러 요인에 의해 결정되게 된다. 이 과정은 Raoult's Law와 Dalton's Law, 그리고 화합물의 물리적 특성, 즉 vapor pressure(증기압)과 휘발성에 따라 달라지게 된다. 
 
우선 vapor pressure는 특정 온도에서 액체 표면에서 기체로 변하려는 화합물의 경향을 나타내는 물리적 성질을 의미한다. Vapor pressure가 높은 화합물은 공기 중으로 쉽게 증발하며, 용액 내 농도가 빠르게 감소하게 된다. 반면, vapor pressure가 낮은 화합물은 증발이 상대적으로 느리게 진행되어 혼합 용액 속에 더 오래 머무르게 된다. 이러한 이유로 vapor pressure는 혼합용액 내 화합물의 농도 변화에 있어 매우 중요한 역할을 하게 된다.
 
혼합용액이 공기 중에 노출되면, 각 화합물의 증발 속도는 해당 화합물의 vapor pressure에 비례하게 된다. 시간이 지남에 따라 증기압이 높은 화합물은 빠르게 공기 중으로 방출되고, 이에 따라 용액 내 해당 화합물의 농도는 급격히 감소하게 된다. 반면, 증기압이 낮은 화합물은 천천히 증발하며, 용액 내 비율이 점점 증가하는 양상을 보이게 된다. 초기에는 휘발성이 높은 화합물이 주로 증발하여 용액의 조성을 크게 변화시키지만, 시간이 지나면 용액의 조성은 점점 덜 휘발성 화합물 중심으로 재구성되게 된다.
 
여기서 Raoult's Law를 통해 혼합 용액의 총 vapor pressure를 계산할 수 있게 된다. Raoult's Law에 따르면, 총 vapor pressure는 각 화합물의 몰 분율( 𝑥 𝑖 )과 해당 화합물의 순수 증기압( 𝑃 𝑖 )의 곱의 합으로 나타낼 수 있다.

 
예를 들어, 시간이 지남에 따라 증기압이 높은 화합물이 증발하면 용액 내 해당 화합물의 몰 분율( 𝑥 𝑖 x i )이 감소하게 되고, 이에 따라 총 vapor pressure도 점차 낮아지게 된다.
 
한편, 증발된 화합물의 증기는 Dalton's Law를 통해 공기 중에 존재하는 각 화합물의 부분압으로 나타낼 수 있다. 각 화합물의 부분압은 혼합 증기의 전체 압력에 각 화합물의 비율을 곱하여 계산하게 된다. 시간이 지남에 따라 공기 중 휘발성 화합물의 농도가 증가하며, 이는 포화 농도를 조절하는 데 기여하게 된다.
 
결국, 혼합용액의 증발 과정은 다음과 같은 단계로 나뉘게 된다. 초기에는 vapor pressure가 높은 고휘발성 화합물이 빠르게 증발하여 공기 중 농도가 급격히 증가하게 된다. 이후 증발이 지속되면서 vapor pressure가 낮은 화합물의 비율이 상대적으로 증가하게 되고, 고휘발성 화합물이 거의 소진되면 용액은 저 휘발성 화합물 중심으로 조정되게 된다.
 
또한, 온도와 공기 흐름(ventilation)도 이러한 과정에 영향을 미치게 된다. 온도가 상승하면 모든 화합물의 vapor pressure가 증가하여 증발 속도가 가속되게 되고, 공기 흐름이 증가하면 증발된 증기가 더 빨리 제거되어 증발이 더욱 촉진되게 된다.
 
그렇다면, Raoult's Law를 응용하여 물에 혼합된 다양한 휘발성 화합물의 몰 농도(mol/L)와 증기압 데이터를 기반으로 시간에 따른 농도변화를 설명해볼 수 있겠다. 
 
화합물 𝑖 의 몰 농도는 증발 속도와 시간에 따라 감소한다. 이를 표현하는 미분방정식은 다음과 같다.

여기서 𝐶 𝑖 ( 𝑡 )는 시간 𝑡 에서의 화합물의 몰 농도(mol/L)이며, 𝑃 𝑖  는 화합물의 부분 압력(Pa), 𝑘 𝑖  는 화합물의 증발 속도 상수(m/s)이다. 이 방정식은 증발 속도가 화합물의 vapor pressure와 비례함을 나타낸다.
 
Raoult's 법칙을 적용하면 각 화합물의 부분 압력 𝑃 𝑖 는 혼합용액 내에서의 몰 분율과 해당 화합물의 순수 증기압( 𝑃 𝑖 ∗ )의 곱으로 계산된다. 이는 다음과 같다.

여기서 𝑃 𝑖 * 는 화합물 𝑖 의 순수 증기압(Pa)이고, 𝑥 𝑖 = 𝐶 𝑖 ÷ 𝐶 total는 혼합 용액 내 화합물의 몰 분율이다. 𝐶 total은 용액 내 모든 화합물의 총 몰 농도를 나타낸다. 따라서, 화합물의 증발 속도는 각 화합물의 몰 농도와 증기압, 그리고 전체 농도의 비율에 의해 결정된다.
 
위 두 식을 결합하면, 시간에 따른 몰 농도 변화는 다음과 같이 표현된다
 

 
즉, 시간에 따른 농도 감소율은 화합물  𝑖 의 순수 증기압( 𝑃 𝑖 * )과 몰 농도( 𝐶 𝑖  )의 비율, 그리고 전체 농도 𝐶 total 에 의해 좌우된다. 이는 농도가 시간에 따라 비선형적으로 변화함을 나타낸다.
 
이를 문명(ChatGPT)의 도움을 빌려 적분하여 그래프 화한다면, 다음과 같은 그래프를 도출할 수 있다. 

입력값은 0.01~100kPa까지 총 5가지의 vapor pressure를 사용하였고, 증발상수는 그래프가 적당히 예쁘게 표현되는 값으로 고정하였으며, 최초 농도는 1 mol/L로 정하였다. 
 
물론 와인에 포함된 많은 아로마 컴파운드들이 최초농도가 매우 낮지만, 극단값으로 설정할 경우 그래프를 표현하는데 오류가 생기기 때문에 너그러운 마음으로 곡선의 경향성만 보면 좋겠다. 당연히 소실되는 시간도 현실 속의 와인 한잔과는 상당히 다르다. 다만 그래프의 모양새는 유효할 것이다. 
 
그래프에서 볼 수 있는 것 처럼 높은 vapor pressure의 화합물은 빠른 시간에 소실되지만 낮은 vapor pressure의 화합물은 시간이 지나도 농도변화가 거의 없는 것을 볼 수 있다. 
 
결론적으로, 혼합용액이 공기 중에 노출되면 각 화합물의 증발 속도는 vapor pressure의 차이에 따라 달라지게 된다. 시간이 지나면서 용액의 조성은 점차적으로 변화하며, 증기압이 낮은 화합물이 용액 내에 상대적으로 더 많이 남게 되는 결과를 초래하게 된다. 이러한 변화는 증발 과정에서 각 화합물이 가진 물리적 특성과 외부 환경 조건의 영향을 받으며, 시간에 따라 동적으로 변화하게 되는 것이다.
 
그렇다면, 우리가 익숙한 와인속 아로마 화합물들의 vapor pressure를 알아보면 된다. 
 

발효 아로마 (Fermentative Aroma)

화합물	종류	풍미	분자량 (g/mol)	녹는점 (°C)	끓는점 (°C)	증기압 (25°C)
Ethanol	Alcohol		46.07	-114.1	78.37	5.95 kPa
Ethyl Acetate	Ester	Pineapple, Fruit	88.11	-83.6	77.1	9.95 kPa
Isoamyl Acetate	Ester	Banana, Pear	130.18	-78.2	142	0.49 kPa
Ethyl Hexanoate	Ester	Green apple, Anis	130.18	-67.8	166.5	0.53 kPa
β-Phenylethyl Alcohol	Higher Alcohol	Rose, Flower	122.17	-27	219	0.02 kPa
Isoamyl Alcohol	Higher Alcohol	Banana, Fruit	88.15	-117	131.1	3.73 kPa

 

카르테노이드 (Cartenoids)

β-Ionone	C13 Norisoprenoids	Raspberry, Rose, Violet	192.29	-50	250	0.24 kPa
β-Damascenone	C13 Norisoprenoids	Rose, Boiled apple	190.28	78	116	0.003 kPa
TDN	C13 Norisoprenoids	Petrol, Kerosene	172.27	115	241	0.007 kPa
Vitispirane	C13 Norisoprenoids	Eucalyptus	192.3	38.6	234.4	0.009 kPa

 

리덕티브 노트 (Reductive Note)

Hydrogen Sulfide	VSCs	Rotten Egg	34.08	-85.5	-60.3	1,600 kPa
Methanethiol	VSCs	Onion, Rubber	48.11	-123.7	6.2	358 kPa
Ethanethiol	VSCs	Rotten onion, Rubber	62.13	-148.5	35	227 kPa
Dimethyl Sulfide	VSCs	Cabbage, Canned Corn, Black Olive, Truffle	62.13	-98	37.3	53 kPa

VSCs = Volatile Sulfur Compounds

 

품종 티올(Varietal Thiols)

4MMP	VSCs	Box tree, Cat urine	132.2	-	181.7	0.11 kPa
3MH	VSCs	Grapefruit	148.3	-	220.6	0.03 kPa
3MHA	VSCs	Passion Fruit	176.3	-	186.0	0.006 kPa

 

모노테라펜 (Monoterpene)

(−)-cis-Rose Oxide	Monoterpenes	Floral, Green, Rose	154.25	-	86	0.07 kPa
Linalool	Monoterpenes	Floral, Citrus	154.25	-20.3	198	0.16 kPa
Geraniol	Monoterpenes	Rose, Citrus	154.25	-	229	0.01 kPa
α-Terpineol	Monoterpenes	Lilac	154.25	35	217	0.03 kPa

 

오크 숙성관련 화합물 (Oak Aging)

Vanillin	Volatile Phenol	Vanilla	152.15	81	285	0.01 kPa
Eugenol	Volatile Phenol	Spice, Clove	164.20	-7.5	254	0.02 kPa
Oak Lactone	Lactone	Coconut	168.25	-	280	0.0005 kPa
Furfural	Furan derivatives	Caramel, Almond	96.08	-36.5	161.7	2.1 kPa

젖산전환 (Malolactic Conversion)

Ethyl lactate	Ester	Butter, Milk, Fruit	118.13	-25	154	0.24 kPa
Diacetyl	Ketone	Butter, Cream	86.09	-2.4	88	7.8 kPa

 

기타 주요 아로마 화합물 (Other impact aroma compounds)

Rotundone	Rotundone	Black pepper, Rosemary	218.34	-	128	-
2-isobutly-3-Methoxypyrazine	Pyrazine	Green bell pepper, Capsicum	110.11	-93.9	65	0.036 kPa

 

폴트 관련 (Faulty Compound)

Hydrogen Sulfide	Reduction	Rotten Egg	34.08	-85.5	-60.3	1,600 kPa
Methanethiol	Reduction	Onion, Rubber	48.11	-123.7	6.2	358 kPa
Ethanethiol	Reduction	Rotten onion, Rubber	62.13	-148.5	35	227 kPa
Dimethyl Sulfide	Reduction	Cabbage, Canned Corn, Black Olive, Truffle	62.13	-98	37.3	53 kPa
2,4,6-Trichloroanisole	Cork Taint	Wet cardbord, Moldy, Damp cement	211.47	60	140	0.003 kPa
4-Ethylphenol	Brett	Phenolic, Medicinal	122.17	43	218	0.002 kPa
Acetic Acid	Volatile Acid	Vinegar	60.05	16.7	118.1	1.5 kPa
Ethyl Acetate	Volatile Acid	Acetone	88.11	-83.6	77.1	12.5 kPa

 

위 내용을 종합해보면, 디캔팅이나 잔 스월링등의 에어레이션을 통해 증발시킬 수 있는 아로마 화합물과 그렇지 못하고 오히려 상대적 농도가 증가하여 부각되는 아로마 화합물을 구분할 수 있겠다. 

 

대표적으로 Reductive note와 관련된 황 화합물들은 증기압이 높아 일정 수준에서는 에어레이션을 통해 제거해 보려는 시도가 유효할 수 있다. 반면, 브렛, 코르크오염은 낮은 증기압 수치를 보여 에어레이션을 한다고 감소하기보다는 오히려 더 부각될 확률이 있다. 

 

마찬가지로, 오크풍미가 과하다고 에어레이션을 하면 오크풍미가 더 부각될 확률이 있다. 피라진도 마찬가지라고 생각한다. 호불호가 갈리는 페트롤 풍미의 TDN도 증기압이 상당히 낮은 화합물에 해당하므로 증발로 인한 소실을 기대하기 어렵다. 

 

이렇게 와인 한잔을 구성하는 아로마 화합물들의 증기압, 즉 증발하려는 경향성이 다르기 때문에 와인잔 속에서 시간에 따라 와인의 풍미가 변모하는 것 또한 설명할 수 있다. 처음에는 매케한 향 (VSCs)에서 과일과 꽃향 (Fermentative aroma, Terpenes, Cartenoid)를 거쳤다가 향신료(Oak compounds, Pyrazine, Rotundone)로 넘어가는 순서는 많이들 경험해본 변모양상일 것이다, 이 순서를 위의 표에 증기압 수치와 대비해서 본다면 그럴듯한 머릿속 그림이 그려질 것이다.

 

애호가들 사이에서, 브렛이나 코르크오염을 디켄팅을 통해 제거하려는 시도가 종종 있다. 하지만 이번 포스팅을 통해 무조건적 디캔팅이 잘못된 행위라는 주장에 힘을 실어보고자 한다. 만약, 디캔팅을 통해 브렛과 코르크오염이 소실되었다고 이야기한다면... 과학은 거짓을 이야기하지 않으니 감각의 오류는 시음자에게 있다고 보는 편이 좋겠다. 해당 폴트가 브렛이나 코르크오염이 아닌 리덕티브 노트였거나, 혹은 약간의 리덕션 관련 화합물이 제거되면서 과실향이 부각되어 폴트가 순간적으로 마스킹되거나... 

 

 

마지막으로, 이 시리즈에 대해서 반대의견, 반박자료를 포함한 모든 자유로운 의견은, 댓글이나 링크된 인스타그램을 통해 자유롭게 전달해도 언제든 환영한다! 자유로운 의견교환과 토론은 더 정제된 지식을 만들어낼 테니...!