Zonder een kopje koffie aan de dag beginnen is voor veel mensen absoluut ondenkbaar. Waarom geeft koffie je een oppepper? En hoe kom je van de versgeplukte bessen tot de magische extractie die je het felbegeerde bakkie levert? Dit dossier vertelt je van alles over koffie.

Koffieafval in de 3D-printer

Startup More2Coffee verwerkt koffiedik in ‘inkt’ voor de 3D-printer. Van de olie uit koffie kun je hars maken, waarmee je heel hoge printresoluties kunt bereiken. De overgebleven perskoek tovert de start-up om in filament dat sterker is dan het veelgebruikte polymelkzuur.

M2C_fotoFrederik

Frederik Muylle

Wereldwijd drinken we meer dan twee miljard kopjes koffie per dag. Ga je uit van 8 g koffie per kopje en een extractieopbrengst van 20%, dan blijft er ongeveer 6,4 g koffiedik over na het koffiezetten. Dagelijks produceren we zo’n 13 miljoen kg koffieafval en eenmaal op de vuilnisbelt komt onder andere het broeikasgas methaan vrij.

Er wordt volop geëxperimenteerd met hergebruik van koffie. Je kunt er je planten mee voeden of er paddenstoelen op laten groeien. Bovendien zijn er bedrijven die servies maken met koffieafval, maar ook in lampen, sneakers en beddengoed wordt koffie verwerkt. Bovendien kun je broeikasgassen opvangen in koffiedik en van de olie kun je brandstof maken.

De vraag bij deze toepassingen is wel hoe duurzaam ze daadwerkelijk zijn. Vaak blijft het vooral bij storytelling, merkt Frederik Muylle op. Hij is medeoprichter van More2Coffee, een jonge Belgische startup die onder andere grondstoffen voor 3D-printmateriaal ontwikkelt uit de reststroom van koffie. ‘We willen hoogwaardige producten makten met een meerwaarde voor de markt.’

More2Coffee scheidt het koffiedik momenteel in koffieolie en de restfractie, ofwel de perskoek. ‘Die vermalen we en met een aantal hulpstoffen komen we tot nieuwe biobased polymeren. Om ze te kunnen printen trekken we er een draad van.’ Dit filament is voor een 3D-printer wat inkt is voor een inkjetprinter. Dat deze methode een goed filament kan opleveren, is wetenschappelijk aangetoond. Het is bijvoorbeeld sterker dan filament van het veelgebruikte PLA (polymelkzuur ofwel polylactide).

Bij een andere 3D-printtechniek gebruik je hars als ‘inkt’. Deze print je laag voor laag, waarbij je de hars telkens bestraalt met een lichtpatroon zodat deze uithardt. Omdat je hoge resoluties kunt halen, is deze techniek geschikt voor toepassingen die om precisie en detail vragen, denk aan medische toepassingen zoals implantaten of tissue engineering. ‘Meestal zijn die harsen van aardolie gemaakt, maar wij willen een duurzaam alternatief ontwikkelen met koffieolie’, zegt Muylle. Koffieolie omzetten in een hars die onder invloed van licht polymeren vormt, vraagt om een aantal chemische bewerkingen. ‘We weten dat het kan, maar we moeten nog wel even sleutelen om tot een marktklaar product met de juiste eigenschappen te komen.’

’We nemen koffiedik over van een academisch ziekenhuis. En daar wordt heel veel koffie gedronken’

Frederik Muylle

In 2023 willen Muylle en collega’s starten met de productie van het 3D-printmateriaal. Ondertussen werkt de startup samen met lokale partners uit de sociale economie om op korte termijn productie van kaarsen en verzorgingsproducten op te zetten. ‘Mensen met een afstand tot de arbeidsmarkt verwerken het koffiedik en gebruiken de olie voor de producten.’ Ook werken Muylle en collega’s aan specifieke voorbeelden van toepassingen om de markt te laten zien waar de uiteindelijke mogelijkheden kunnen liggen.

Aan koffiedik is er voorlopig geen gebrek. ‘Dat nemen we over van een academisch ziekenhuis’, zegt Muylle, ‘en daar wordt heel veel koffie gedronken.’ More2Coffee kijkt momenteel uit naar samenwerkingen met andere partijen die het overgebleven koffiedik kunnen gebruiken in nieuwe toepassingen. ‘Zo maken we het circulaire plaatje rond.’

More2coffee_grondstoffen

Van bes tot boon

Er zijn tientallen soorten koffieplanten, maar voor de productie worden voornamelijk Coffea arabica (Arabica) en Coffea canephora (Robusta) gebruikt. Koffiebonen danken hun naam aan de boon-achtige vorm. Eigenlijk zijn het geen bonen, maar pitten (zaden) uit de bes van de koffieplant. De zaden groeien per twee in de vrucht met een laagje vruchtvlees eromheen. In acht maanden tijd kleuren de bessen van groen naar rood. De bessen verwerken tot koffiebonen, waarbij je het vruchtvlees en andere onderdelen van de bes verwijdert, kan met verschillende methodes.

Tegenwoordig wordt meestal de gewassen-methode gebruikt. Die is complexer en tijdrovender dan ongewassen koffie (waarbij je de bessen laat drogen in de zon en daarna het vruchtvlees verwijdert) maar je hebt wel meer controle over het proces. De rijpe bessen worden door een rooster geperst, wat het vel en het meeste vruchtvlees verwijdert. Tijdens een fermentatieproces van een tot twee dagen breekt de cellulose in het overgebleven vruchtvlees af, waarna een borstel de resten weghaalt. Nu is het tijd om de bonen te sorteren en te mengen, zodat een constante smaak en prijs kan worden gewaarborgd. Gewassen koffie heeft een delicate, fruitige, licht zure smaak en is beter in balans dan ongewassen koffie.

Met halfgewassen verwerkingsmethodes wordt volop geëxperimenteerd. Je verwijdert daarbij de schil en een deel van het vruchtvlees, voordat de bessen de zon in gaan. Het overgebleven slijmerige pectinelaagje verandert in een honing-achtige substantie. Vandaar dat deze koffie vaak ‘honey processed’ wordt genoemd. Hoeveel vruchtvlees verwijder je? Hoe lang laat je de boon fermenteren? Iedere combinatie van stappen levert een unieke koffie op.

Koffiebessen

Van groen tot zwart

Als je koffiebonen roostert, kleuren ze van groen naar bruin. Hoe langer je brandt, hoe donkerder de koffieboon wordt. Lichte, medium en donkere koffiebonen geven unieke smaken en aroma’s. Dat komt door de maillardreactie, een serie reacties die tijdens het branden plaatsvindt. Eerst reageert een reactieve carbonylgroep van een suikermolecuul met een nucleofiele aminogroep van een aminozuur (uit een eiwit bijvoorbeeld). Er ontstaat een instabiele glycosylamine die wordt omgezet in aminoketose. Deze reageert verder waarna in de koffieboon honderden nieuwe verbindingen ontstaan. Met name de cyclische moleculen zorgen voor de typische geur, kleur en smaak van koffie.

Er vindt ook karamellisatie plaats, een serie reacties tussen suikermoleculen. Er ontstaan honderden nieuwe verbindingen die volgen uit allerlei typen processen, zoals condensatiereacties, intramoleculaire binding, isomerisatie van aldosen en ketosen, dehydratiereacties en fragmentatiereacties. De bruine kleur komt voort uit drie polymeergroepen: karamelans (C24H36O18), karamelens (C36H50O25) en karamelins (C125H188O80). Hierbij is het opletten geblazen. Eerst ontstaan er moleculen verantwoordelijk voor boter- en melkaroma’s (diacetylmoleculen), fruitaroma’s (ethers en lactonen) en karamelaroma (maltol). Stijgt de temperatuur verder, dan krijg je zure, bittere en verbrande aroma’s.

Licht gebrande bonen hebben een rinse (ook wel fris of zuur genoemd), lichte body. Brand je donkerder, dan passeren ook zoete smaken de revue. De zoete aroma’s maken steeds meer plaats voor bittere verbindingen, met een dark roast met volle body als resultaat. Tijdens het branden breekt de cafeïne overigens steeds verder af en worden CO2 en andere gassen ‘opgesloten’ in de koffieboon.

Losse bonen

Koffiezetmagie

Hoe je je koffie ook zet, zodra het in contact komt met water, gebeuren er grofweg drie dingen: bevochtiging, hydrolyse en extractie. Voor het bevochtigen zijn het formaat van de koffiedeeltjes, de porositeit, dichtheid, druk en snelheid van opgieten van groot belang. Ze bepalen hoe snel en gelijkmatig het koffiezetproces in gang wordt gezet.

Zodra je koffie contact maakt met water, ontsnappen de opgesloten gassen in één keer. Doe je dit net na het roosteren en malen, dan ontstaan er flink wat luchtbellen. Dit fenomeen, in het Engels blooming genoemd, is een teken dat je koffie vers is en rijk aan aromatische gassen die de smaakbeleving bevorderen. Zijn de bonen meer dan twee weken geleden geroosterd, dan zijn de meeste gassen in de tussentijd al ontsnapt en smaakt je koffie anders.

Nu de koffie is bevochtigd, kan de sleutelgebeurtenis van koffiezetten plaatsvinden: extractie. Terwijl oplosbare stoffen zich verplaatsen van de koffie naar het water, vinden er allerlei processen plaats. Welke precies, hangt onder andere af van temperatuur, tijd en beweging. Verschillende zuren, cafeïne en allerlei andere stoffen lossen op in het water. Sommige moleculen ondergaan hydrolyse, zodat bijvoorbeeld grotere organische zuren toch (deels) oplossen. Hoe hoger de temperatuur en hoe meer tijd er voorbijgaat, hoe meer en beter stoffen oplossen. Dat geldt ook voor minder lekkere verbindingen, dus controle over het koffiezetproces is heel belangrijk voor de smaak.

Bovendien speelt diffusie een rol. Er is een concentratiegradiënt en de concentratie opgeloste stoffen neemt toe naarmate het water door de koffiedeeltjes in het filter beweegt, wat de oplossnelheid van moleculen in de koffie beïnvloedt. Welke stoffen er precies oplossen en in welke mate, verschilt dus per koffiezetmethode en of je bijvoorbeeld roert of niet. Maak je espresso, dan is er nog een belangrijke factor in het spel: druk. Omdat je water onder hoge druk door de koffiedeeltjes perst, was je ook onoplosbare deeltjes mee, zoals vezels, eiwitten en oliën. Espresso heeft daarom een hogere viscositeit dan langzaam gezette koffie.

Voor de meeste koffie is een extractieopbrengst van 18-22% ideaal. Is de opbrengst te laag, dan is je kopje koffie te zuur en niet in balans. Dat komt doordat zuren vroeg tijdens de extractie oplossen, terwijl suikers en bittere stoffen later aan de beurt zijn. Is het percentage te hoog, dan hebben juist te veel bittere stoffen kunnen oplossen.

coffee-4618705_1920

Filter, espresso of oplosbaar

In Westerse culturen drinken de meeste mensen filterkoffie, gezet met de hand, een koffiezetapparaat of bijvoorbeeld met koffiepads (Senseo) of capsules (Nespresso). Daarnaast heb je bijvoorbeeld de cafetière, een glazen kan met grof gemalen koffie waar je water opgiet. Daarna roer je, wacht je even en duw je een filter naar beneden. Ook is er de mokkapot, die je op het fornuis zet waarna het kokende water met een druk van zo’n 1,5 bar omhoog door de koffie wordt geperst en bovenin de pot wordt opgevangen.

Bij andere methodes laat je de koffie bezinken, waarna je de overgebleven ‘drab’ onder in je kopje niet opdrinkt. Je kunt ook een kraantjespot gebruiken, waarin de koffie bezinkt in de ronde buik van de kan. Daarboven zit een kraantje waarmee je de koffie aftapt. Voor Turkse koffie gebruik je een speciaal pannetje van brons of koper (een cezve) met daarin kort gebrande, zeer fijn gemalen koffie en suiker in gelijke hoeveelheden. Je voegt hier koud water aan toe, waarna je de boel langzaam aan de kook brengt.

Het paradepaardje onder de koffie is toch wel de espresso. Deze maak je met een speciale machine waarin gedurende 20-30 s een kleine hoeveelheid water (30 ml) onder hoge druk (8-9 bar) door zo’n 7 gram zeer fijn gemalen, goed aangestampte koffie wordt geduwd. Er ontstaat een viskeus kopje koffie met hoge concentratie verbindingen. Bovenop ligt de crema, een laagje schuim van kleine CO2-bubbels in een olie-in-wateremulsie. Die bestaat uit vetten, proteïnen, suikers en vaste deeltjes afkomstig uit de celwand van koffiecellen.

Een vreemde eend in de bijt is oploskoffie, dat na opgieten (vrijwel) volledig oplost. De smaak is duidelijk anders dan die van verse koffie en wordt vaak minder lekker gevonden. Oploskoffie wordt gemaakt van geconcentreerde gezette koffie waar het water uit verwijderd is. Dat kan middels sproeidrogen, waarbij je de koffie onder hoge druk vernevelt. De vloeistof in de kleine druppeltjes verdampt door hitte en de droge deeltjes blijven over in de vorm van poeder. Tijdens vriesdrogen ontstaan bij zeer lage temperatuur ijskristallen. Die sublimeren vervolgens in zeer droge lucht, waarna de vaste deeltjes overblijven in de vorm van korrels.

coffee-4512564

Cafeïne in het lichaam

Cafeïne (1,3,7-trimethylxanthine; C8H10N4O2), ook bekend onder de namen coffeïne en theïne, is een van de meest geconsumeerde en sociaal geaccepteerde natuurlijke stimulantia. Het komt van nature voor als een zout met chlorogeenzuur in koffiezaden, theebladeren en cacaobonen. Ook wordt cafeïne als zuivere stof toegevoegd aan cola, energiedrankjes en sommige geneesmiddelen, zoals paracetamol, omdat het vermoedelijk de werking bevordert. De halfwaardetijd is vijf tot zes uur.

Koffein_-_Caffeine

Cafeïne

In het lichaam doet cafeïne meerdere dingen. De stof verhoogt de productie van adrenaline en serotonine en het stimuleert het sympathische zenuwstelsel, met als gevolg een verhoogde hartslag, snellere ademhaling en geremde spijsvertering. Er zijn aanwijzingen dat cafeïne in bepaalde situaties, zoals bij duursporten, prestatiebevorderend werkt. Bovendien remt cafeïne de heropname van dopamine, wat een verhoogd geluksgevoel geeft.

Verder maakt cafeïne je alerter en het verbetert je geheugen. Dat komt omdat het in de hersenen concurreert met adenosine. Deze stof bindt gedurende de dag aan receptoren op je hersencellen. Daardoor wordt de hersenactiviteit gedurende de dag lager en je wordt langzaam maar zeker moe. Als je slaapt neemt de concentratie van het signaalmolecuul weer af. Omdat cafeïne qua structuur op adenosine lijkt, kan het aan dezelfde receptoren binden, maar het geeft vervolgens geen signaal door. Met andere woorden: de hersenactiviteit neemt in mindere mate af en je wordt minder snel moe.

Je brein compenseert voor deze ontregeling door meer adenosinereceptoren te maken. Je hebt daardoor steeds meer cafeïne nodig voor eenzelfde effect. Dit veroorzaakt bij sommige mensen uiteindelijk een slaapstoornis. Stop je met koffie drinken, dan duurt het even voor je brein het gewenste aantal receptoren hersteld heeft. Gedurende ongeveer een week kun je hoofdpijn hebben, extra vermoeid zijn en trillende handen krijgen.

Koffie met een luchtje

Kopi loewak (of luwak) is een van de duurste koffies ter wereld. Dat komt door het speciale productieproces, waarin de loewak, een civetkatachtige, een cruciale rol speelt. Dit kleine roofdier eet de koffiebessen op, verteert het vruchtvlees en poept de overgebleven pitten weer uit, klaar voor verdere verwerking. Tijdens het verteren bewerken enzymen bepaalde eiwitten in de koffie, met als gevolg minder zure en bittere smaaktonen. Veel professionele koffieproevers vinden kopi loewak overigens helemaal niet lekker.

Omdat de poep moest worden verzameld op het land, had civetkoffie een exclusief en luxe imago. Tegenwoordig worden veel civetkatten onder slechte omstandigheden in hokken gehouden. Dat komt de kwaliteit en het imago van de koffie niet ten goede.

Er bestaan nog meer poepkoffies. Zo komt kopi muncak uit de drollen van Aziatische herten. Jacukoffie bestaat uit koffiepitten die zijn uitgepoept door de jacu, een Braziliaanse vogel. Black Ivory Coffee is een koffiemerk dat bonen verkoopt die een bezoekje hebben gebracht aan het maag-darmstelsel van olifanten.

Luwak