Wiskundigen zoeken naar het perfecte kopje koffie

Koffie bestaat uit meer dan 1.800 chemische verbindingen en het is een van de populairste dranken ter wereld. Geschat wordt dat er elke dag wereldwijd meer dan 2 miljard kopjes gedronken worden.

Het perfecte kopje koffie brouwen is uiteraard een subjectieve onderneming, maar het werk van Kevin Moroney van de University of Limerick, WIlliam Lee van de University of Portsmouth en een aantal anderen biedt een beter inzicht in de parameters die het eindproduct beïnvloeden. Er is al eerder onderzoek gedaan naar de wiskunde van de extractie van koffie, maar de nieuwe studie bekijkt filterkoffie, waar nog niet veel naar onderzoek naar gebeurd is. 

Filtermachines, waarbij heet water over gemalen koffie in een filter gegoten wordt, maken de helft uit van de 18 miljoen koffiemachines die jaarlijks in Europa verkocht worden. 

"Ons basisidee is om een compleet wiskundig model op te stellen van het zetten van koffie, dat je kan gebruiken om een koffiemachine te ontwerpen, ongeveer zoals we de theorie van de mechanica van vloeistoffen en vaste stoffen gebruiken om racewagens te ontwerpen", zei doctor Lee aan BBC News.

Hij zei dat de studie een stap in die richting was. "We keken naar het effect van de grootte van de koffiekorrels op de manier waarop de koffie uit een filtermachine komt. Wat echt verrassend was, is dat er twee processen zijn waardoor koffie onttrokken wordt aan de korrels. Er is een zeer snel proces waardoor koffie onttrokken wordt aan de buitenkant van de korrels, en dan is er nog een trager proces waarbij koffie uit het binnenste van de korrels komt."

Het was al langer bekend dat als koffiebonen te fijn gemalen worden, dat de koffie dan erg bitter kan worden. Anderzijds wordt koffie dan weer waterig als de bonen niet genoeg gemalen worden.

"Wat ons werk gedaan heeft, is die vaststelling kwantitatief maken", zei Lee. "Dus nu, in plaats van te zeggen: 'Ik moet de korrels een beetje groter maken', kan ik zeggen: 'Ik wil dat er zoveel koffie uit de bonen komt, en dit is precies de grootte van korrel die ik moet nemen."

Lee, die zelf zijn koffie maalt, zet zijn maler op de grofste stand. Daardoor is zijn koffie minder bitter, omdat grote korrels in verhouding minder oppervlak hebben. Ook loopt het water sneller door koffie met grove korrels, wat eveneens maakt dat er minder koffie onttrokken wordt aan de bonen. "Als de koffie bitter is, komt dat doordat je de hoeveelheid oppervlak vergroot hebt. En ook is het moeilijker voor het water om tussen de korrels door te komen, en dus staat het water langer in contact met de koffiekorrels, wat de koffie meer tijd geeft om opgelost te worden."

Lee en zijn team hopen om koffiemachines voor industriële toepassingen te optimaliseren voor een bepaalde grootte van korrels. Bovendien kan men ook nog het tempo aanpassen waarmee het water op de filter druppelt. 

De onderzoekers bekijken nu ook de vorm van de laag koffie in filtermachines. "De laag koffie wordt vervormd als je koffie zet. Als je de koffie er pas in doet, bedekt die de bodem van de filter, maar aan het einde van het proces kleeft hij aan de wanden van de filter. Dal lijkt ook een rol te spelen in de smaak van de koffie", zei Lee. "Het heeft ook te maken met hoe je het water er juist in doet. Doe je dat met een enkele straal in het midden, zoals water dat uit een kraan komt, of gebruik je iets als een douchekop, waarbij het druppelt vanuit verschillende plaatsen. Dat heeft ook verschillende effecten op het verstoren van de laag koffie."

De studie is geplubliceerd in SIAM Journal on Applied Mathematics.