牛蒡含菊糖、纤维素、蛋白质、钙、磷、
铁等人体所需的多种维生素及矿物质，其中胡萝卜素含量比胡萝卜高150倍，蛋白质和钙的含量为根茎类之首。牛蒡根含有菊糖及挥发油、牛蒡酸、多种多酚物质及醛类，并富含纤维素和氨基酸。
牛蒡根含有人体必需的各种氨基酸，且含量较高，尤其是具有特殊药理作用的氨基酸含量高，如具有健脑作用的天门冬氨酸占总氨基酸的25%-28%，精氨酸占18%-20%，且含有Ca、Mg、Fe、 Mn、 Zn等人体必需的宏量元素和微量元素。
牛蒡茎叶含挥发油、鞣质、粘液质、咖啡酸、绿原酸、异绿原酸等。牛蒡果实含牛蒡甙、脂肪油、甾醇、硫胺素、牛蒡酚等多种化学成分，其中脂肪油占25%-30%，碘值为138.83，可作工业用油。
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