Data-driven interpretable analysis for polysaccharide yield prediction

可解释性 人工智能 计算机科学 机器学习 产量(工程) 随机森林 多糖 人工神经网络 过程(计算) 预测建模 生物系统 化学 生物 材料科学 生物化学 冶金 操作系统
作者
Yushi Tian,Xu Yang,Nianhua Chen,Chunyan Li,Wulin Yang
出处
期刊:Environmental science & ecotechnology [Elsevier BV]
卷期号:19: 100321-100321 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.ese.2023.100321
摘要

Cornstalks show promise as a raw material for polysaccharide production through xylanase. Rapid and accurate prediction of polysaccharide yield can facilitate process optimization, eliminating the need for extensive experimentation in actual production to refine reaction conditions, thereby saving time and costs. However, the intricate interplay of enzymatic factors poses challenges in predicting and optimizing polysaccharide yield accurately. Here, we introduce an innovative data-driven approach leveraging multiple artificial intelligence techniques to enhance polysaccharide production. We propose a machine learning framework to identify highly accurate polysaccharide yield prediction modeling methods and uncover optimal enzymatic parameter combinations. Notably, Random Forest (RF) and eXtreme Gradient Boost (XGB) demonstrate robust performance, achieving prediction accuracies of 93.0% and 95.6%, respectively, while an independently developed deep neural network (DNN) model achieves 91.1% accuracy. A feature importance analysis of XGB reveals the enzyme solution volume's dominant role (43.7%), followed by time (20.7%), substrate concentration (15%), temperature (15%), and pH (5.6%). Further interpretability analysis unveils complex parameter interactions and potential optimization strategies. This data-driven approach, incorporating machine learning, deep learning, and interpretable analysis, offers a viable pathway for polysaccharide yield prediction and the potential recovery of various agricultural residues.
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