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目前的研究證實，當歸所含的化合物種類有70種以上，其主要成分為揮發油、butylidenephthalide、醣類、氨基酸及bergaptene等，其中最主要的生理活性成分為阿魏酸(ferulic acid)、藁本內酯(Z-ligustilide)及phthalides等成分。當歸的生理活性成分含量及種類在不同物種間有差異存在，一般以A. sinensis的含量較高於A. acutiloba。

當歸的重要成分阿魏酸(ferulic acid)屬於酚類化合物，具有抑制血小板凝集、增進心血管血液流量、抗氧化、抗菌、抗發炎、抗癌及抗血栓等功能。阿魏酸屬於酚類化合物，廣泛存在於番茄、胡蘿蔔、甜玉米、柑橘及稻米麩皮等蔬果之中，在植物代謝過程中扮演重要角色，對於癌症、糖尿病、心血管疾病等具有治療的效果。阿魏酸具有抗脂質過氧化作用，能清除自由基，抑制氧化反應和自由基反應，並能與生物膜磷脂結合，保護膜脂質拮抗自由基對組織的損害。

當歸另一重要成分藳本內酯，為芳香類揮發油之酯類化合物，具有抑制血小板凝集、鬆弛子宮、預防婦科疾病、治療月經失調及高血壓等功能。藳本內酯主要分為Z-ligustilide及E-ligustilide二種，除存在於A. sinensis、A. acutiloba二種當歸中，亦存在於川芎(Ligusticum chuanxiong)中，在A. gigas則沒有含藳本內酯成分。Z-ligustilide在當歸的含量較高且穩定，而E-ligustilide在當歸的含量較少，因此常以Z-ligustilide作為當歸的有效成分指標之一。