Image-based assessment and machine learning-enabled prediction of printability of polysaccharides-based food ink for 3D printing

流变学 表面粗糙度 材料科学 响应面法 墨水池 表面光洁度 生物高聚物 人工智能 机器学习 计算机科学 数学 复合材料 聚合物
作者
Yixing Lu,Rewa Rai,Nitin Nitin
出处
期刊:Food Research International [Elsevier BV]
卷期号:173 (Pt 2): 113384-113384 被引量:60
标识
DOI:10.1016/j.foodres.2023.113384
摘要

Despite the growing demand and interest in 3D printing for food manufacturing, predicting printability of food-grade materials based on biopolymer composition and rheological properties is a significant challenge. This study developed two image-based printability assessment metrics: printed filaments' width and roughness and used these metrics to evaluate the printability of hydrogel-based food inks using response surface methodology (RSM) with regression analysis and machine learning. Rheological and compositional properties of food grade inks formulated using low-methoxyl pectin (LMP) and cellulose nanocrystals (CNC) with different ionic crosslinking densities were used as predictors of printability. RSM and linear regression showed good predictability of rheological properties based on formulation parameters but could not predict the printability metrics. For a machine learning based prediction model, the printability metrics were binarized with pre-specified thresholds and random forest classifiers were trained to predict the filament width and roughness labels, as well as the overall printability of the inks using formulation and rheological parameters. Without including formulation parameters, the models trained on rheological measurements alone were able to achieve high prediction accuracy: 82% for the width and roughness labels and 88% for the overall printability label, demonstrating the potential to predict printability of the polysaccharide inks developed in this study and to possibly generalize the models to food inks with different compositions.
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