Hvordan får vi kaffe ut av bønnene?

En intuitiv guide til kaffens oppløslighet i vann, ekstraksjon og TDS.

Ekstraksjon og TDS er de to forholdene som definerer kaffebrygging. Her har vi oversatt og tilpasset en historie om frigjøring av kaffestoffer som kanskje kan hjelpe til med å utvikle en intuitiv forståelse av hva som skjer når malt kaffe blandes med vann og hvorfor små endringer i blandingsforholdet kan føre til store forskjeller i smak.

Naturen holder tusenvis av smakfulle oppløselige bestanddeler inne i kaffebønnene mens vi vil ha dem i koppen vår. Over tid har vi lært at ved å helle varmt vann over malt kaffe gjøres dette om til kaffe.

Noen ganger smaker det godt, andre ganger er det ikke så bra. Hvorfor er det slik?

Vi vil forsøke å svare på det spørsmålet ved å zoome ned til mikroskopisk nivå inne i en kaffebønne og se nærmere på hva som skjer når kaffe og vann møtes.

Når vi ser på kaffe på cellenivå, er det lett å forstå hvordan forholdet mellom vann og kaffe, tid og kornstørrelse påvirker bryggeprosessen. Dette igjen vil hjelpe oss med å bygge en intuitiv følelse for begreper som ekstraksjon og det vi kaller «kaffens faste bestanddeler i oppløsningen» (Total Dissolved Solids – TDS).

Det er ikke nødvendig å frykte disse abstrakte begrepene, eller forvente en fortelling fylt med kjedelige tekniske detaljer. Historien er som en episk fengselsrømning hvor millioner av gode mennesker finner frihet og de slemme gutta er etterlatt bak murene. Og som du kanskje forventer, er det en superhelt som redder dagen.

En titt inni bønnen

Vår reise starter med en enkelt arabicabønne. Hvis vi skulle tenke på denne kaffebønnen som et fengsel, ville det ha over 4 500 000 celler!

I bildet  over ser vi tverrsnittet av en brent kaffebønne som er delt i to. Legg merke til alle de små hullene i bønnen. Hvert av disse hullene pleide å være en levende celle når kaffebønnen vokste inne i bæret på et kaffetre.

Bildet nedenfor er forstørret 750 ganger med et elektronmikroskop, slik at vi kan se hver enkelt celle. Bredden på hver av disse cellene er omtrent halvparten av tykkelsen på en av hårene på hodet (50 – 70 mikron).

Når kaffebønnen brennes, fylles cellene med CO2-gass og ekspanderer. I celleveggene sitter de løselige stoffene som vi ønsker inn i kaffen vår.

«Oppløselige bestanddeler» (solubles) er det overordnede begrepet som brukes om stoffene i en kaffebønne som kan løses opp med vann. På sitt mest grunnleggende nivå handler kaffebrygging om å bruke vann som et løsemiddel for å løse opp (vaske ut) de faste kaffestoffene i kaffebønnenes celler.

«Kaffestoffer» kommer i mange forskjellige former og størrelser. Bildet over beskriver de fire hovedkategorier som finnes i kaffebønner, og de unike smaksnotene bidrar hver for seg til smaken av kaffe.

Fruktsyrer og koffein er enklest å løse opp og er ansvarlige for lette og fruktige smaksnoter.

Lipider er de naturlige fettstoffene og oljene som finnes i kaffebønner. De er ikke teknisk løselig i vann, men vann kan fortsatt frigjøre dem fra kaffecellen som en emulsjon.

Bryggemetoder som bruker metallfiltre, som presskanne og espresso, tillater lipider å passere inn i koppen, og skaper den munnfølelsen som disse metodene er kjent for.

Porene i papirfiltre er så små at de forhindrer at de fleste lipider går gjennom. Bryggemetoder som baserer seg på dette vil kun inneholde en tidel av lipidinnholdet i forhold til metoder som bruker et metallfilter.

Når kaffe blir brent, gir Malliard-reaksjonen melanoidiner som forårsaker bruningen av kaffe, både i bønne og væskeform.

Karbohydrater utgjør 50% av de tørre kaffebønnenes totale masse, men bare noen av karbohydratene er oppløselige. Deres hovedrolle er å legge til sødme og jordaktige smaker.

Etter hvert som kaffebæret utvikler seg på treet, låses disse uskyldige «kaffestoffene» inne i cellene til hver kaffebønne.

Vi er tilbake inne i kaffebønnen, og det ser ikke bra ut for «kaffestoffene».  Etter at bønnen har utviklet seg, blitt plukket, foredlet og brent, blir «kaffestoffene» låst inn i mørke celler. En trøst er at det trolig dufter godt der inne.

Merk, de fargede kulene brukes som en representasjon av kaffestoffene og er ikke tegnet i målestokk.

Vannet redder dagen!

Når vann kommer inn i cellene, begynner kaffestoffene å løse seg opp. Vi får det vi oppfatter som kaffe.

Når vi ser på den totale massen av en kaffebønne, består kun 30% av «kaffestoffer». De resterende 70% av bønnen består av uoppløselige fibre og karbohydrater som lager bønnestrukturen.

Om lag 20% av bønnen inneholder gode «kaffestoffer»., og de andre 10% er dårlige og smaker vondt. For å brygge den beste koppen kaffe må vi forsøke å slippe de gode «kaffestoffene» fri,  men holde de vonde innelåst i cellene.

Heldigvis beveger de dårlige «kaffestoffene» seg langsommere og tar lengre tid å oppløse enn de gode. Slik kan vi koordinere fengselsflukten ved å begrense tiden vannet har til å virke.

I kaffeverdenen er ekstraksjonstid det begrepet som brukes for å kvantifisere hvor mange av «kaffestoffene» som skal forbli i cellen, og hvor mange vi vil slippe fri. Jo lenger vann er i en celle, desto mer oppløselige stoffer blir ekstrahert

De optimale retningslinjene fastsatt av ECBC/SCA for ekstraksjon er 18 – 22%. Når vi tar den totale vekten av kaffebønnen, vil altså 18 – 22% av denne massen bli oppløst av vann og ende opp i vår kopp.

«Vann kan kun trekke ut kaffestoffer fra celler som det kommer i kontakt med»

Nå som vi vet hvordan vann samhandler med hver celle individuelt, kan vi se på hvordan det vil samhandle med hele bønnen. For å forenkle, skal vi se på cellene som om de var i et todimensjonalt eller flatt miljø. I virkeligheten er bønnen en 3D-struktur, men begrepene overføres enkelt.

På bildet over forestiller du deg at hele bønnen ble plassert i vann. Vannet vil bare kunne få tilgang til cellene på den ytre overflaten av bønnen, representert av den blå streken.

Målet vårt er å frigjøre kaffestoffene fra hele bønnen, så vi må finne en måte som gjør at vannet får tilgang til de indre cellene.

Vi kan øke antall celler som vann kan få tilgang til ved å bryte bønnen i mindre stykker. Etter hvert som brikkene blir mindre, vil det totale antallet celler som vann kan kontakte øke eksponentielt.

Vann kan kun trekke ut kaffestoffer fra celler som det kommer i kontakt med.Kverning av kaffebønnen øker antall celler vann kan få tilgang til. Vannet trenger dypere inn i hvert kaffekorn over tid.

Tenk på boksene ovenfor som et enkelt kaffekorn med 30 x 30 celler. I den første boksen har vann vært i kontakt med kaffemaskinen i 30 sekunder. I løpet av denne tiden var vann i stand til å komme inn i de to første cellene på den ytre kanten av kaffekornet og hente ut de oppløselige stoffene.

Etter 120 sekunder har vannet gjort det gjennom 15 celler. Hvis du skulle stoppe bryggeprosessen på dette tidspunktet, vil de oppløselige stoffene som ligger i celler i midten av kaffekornene fortsatt være fanget der. Dette ville bli betraktet som et underekstrahert kaffekorn.

Etter 240 sekunder har vann arbeidet seg inn i alle cellene og kaffekornene er fullt ekstrahert.

Hva skjer når vi endrer malingsgraden? Tidsskalaene på 30, 120 og 240 sekunder er de samme, og det totale antall celler er det samme.

Likevel er det nå mulig å ekstrahere det samme antall celler i 30 sekunder som i 240 sekunder.

Kornstørrelse bestemmer ikke hva som trekkes ut, det bestemmer hvor lenge det vil ta for vannet å nå alle cellene.

Forhåpentligvis begynner det å bli klart hvordan tid og kornstørrelse er omvendt knyttet. Når vi øker den ene, må vi redusere den andre.

Hva om vi bruker forskjellige malingsgrad, men beholder 120 sekunder for alle størrelser?

Husk fra tidligere at det er mulig å overekstrahere en celle og slippe ut noen av de dårlige kaffestoffene hvis vannet er i kontakt med dem for lenge. De oransje cellene i boksen til venstre representerer celler som ble overekstrahert.

Figuren i midten representerer vår optimale utvinning på ca 20%. Tid og kornstørrelse er i riktig balanse slik at vannet har akkurat nok tid til å oppløse de gode kaffestoffene og la de dårlige forbli innesperret.

Det var ikke nok tid for vannet til å få tilgang til alle cellene i figuren til høyre, slik at både de gode og dårlige kaffestoffene forblir innesperret i kaffekornet.

Vi kan nå se hvorfor det er viktig å ha en konsistent partikkelstørrelse når vi maler kaffebønner i mindre stykker. Hvis  malingsgraden ikke er konsistent, vil det føre til at noen av kornene blir overkstrahert mens andre blir underekstrahert.

Inntil dette punktet har alt dreid seg om ekstraksjon, balansen mellom gode og dårlige kaffestoffer som frigjøres fra hver celle. Nå skal vi se på styrke, også kjent som Total Dissolved Solids (TDS).

TDS kan enkelt defineres som forholdet mellom oppløselige stoffer og vann i en kopp. Dette er i stor grad et spørsmål om personlig preferanse, men i henhold til ECBC-standarder anses 1,30% til 1,55% som et optimalt forhold.  Dette betyr at for én del «kaffestoff» har vi 98,5 deler vann. Til sammenligning har man i USA andre tradisjoner, og SCA anbefaler 1,15% til 1,35%. 

De «kaffestoffene» som frigjøres under ekstraksjon, bestemmer smaken og TDS bestemmer intensiteten av disse smakene. Om du sammenligner med musikk vil «kaffestoffene» være musikken i seg selv,  mens TDS angir hvor høyt volumet er satt.

Økende TDS vil gi en sterkere kaffe, men å dra den opp for høyt kan føre til at noen smaker overdøver andre helt.