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β-胡萝卜素的抗氧化性主要表现在它具有清除自由基的能力。β-胡萝卜素分子中含有多个双键，在光、热、氧气及活泼性较强的自由基离子的存在下，易被氧化，从而保护机体不被破坏。生物体中存在大量的脂质过氧化和自由基反应，从而导致细胞功能的下降，机体的衰老以及疾病的发生，β-胡萝卜素的存在可减少脂质过氧化。因此，类胡萝卜素可以清除自由基以及淬灭单线态氧的活性受到了普遍的关注。
在人体正常的新陈代谢过程中也会产生活性氧，活性氧具有不稳定性和高能水平，可将能量迅速传递给其它分子而产生自由基。自由基由于含有不成对的电子，所以性质异常活跃，它可损伤核酸、蛋白质、细胞膜、细胞，导致细胞突变或死亡，从而引起人体早衰。日益增加的证据表明与衰老过程相关联的多种缺陷是细胞内的多点位氧化损伤积累的直接后果。例如心血管疾患的发病机理之一是低密度脂蛋白的氧化损伤而导致的；一些光化学对晶体所造成的损伤会导致白内障的形成等。而β-胡萝卜素具有多个双键是一种有效的抗氧化剂，能传递高能量从而使活性氧变成稳定的氧分子。现已知1分子β-胡萝卜素可抑制1000个分子的活性氧，同时还可作为一种弱氧化剂直接与自由基反应，阻止自由基的连锁反应，从而减少它对细胞的损伤。马爱国在探讨抗氧化营养对DNA氧化损伤保护作用时，经实验发现连续服用β-胡萝卜素、维生素E和维生素C，可显著降低由过氧化氢诱发DNA的损伤。
建立在以人口为基础的研究表明：人如果每日吃四份或更多富含β-胡萝卜素的水果和蔬菜，那么他们患心脏病或癌症的机率会更低。然而有趣的是，其他的研究却指出刻意补充β-胡萝卜素的人实际上更有可能患上此类疾病。研究人员认为，健康、合理、营养丰富的饮食比单一地补充β-胡萝卜素将更有效。
