根据历史学家的考证，从原始时代到中世纪，很多人都是由于营养不良或食物中毒而死亡的。人类在与疾病作长期斗争的过程中，逐渐认识了食物的颜色、形状、味道等感官性状及其对某些疾病（主要是营养缺乏病）的预防和治疗的作用。在近一百多年的科学研究中，人们逐渐了解了食物中含有的多种成分。这些成分具有特定生理作用，能维持机体生长、发育、活动、生殖以及正常代谢，包括蛋白质、脂类、碳水化合物、矿物质及维生素等，被统称为营养素（nutrient）。

必需营养素（essential nutrient）是一类为机体存活、正常生长和功能所必需，但不能由机体自身合成或合成不足，而必须从食物中获得的营养素。与其他食物成分相比，它们都具有一个重要的生物学特性，即缺乏该营养素可造成特异性功能异常或营养缺乏病，甚至死亡。人们对必需营养素的认识，正是在预防和治疗营养缺乏病的过程中逐渐获得的。

国内外有许多历史资料记载古人通过食物对某些疾病进行“治疗”的作用，按照现代医学的观点，其中很大比例的疾病属于营养缺乏病。例如，中国古代医学将缺碘性甲状腺肿称为“瘿病”，远在公元前4世纪的《庄子》中就有关于瘿病的记载。800年后晋朝的化学家葛洪首先用海藻制取药酒以治疗瘿病；公元7世纪的隋巢元方提出了瘿病与水、土有关的学说；唐朝孙思邈等人又扩大了用昆布来治疗瘿病。此外，古希腊人也在2400年前就进行过一些不同形式的“食疗”。1670年，英国医生Sydenham发现饮用含铁屑的葡萄酒可使萎黄病（贫血）患者的症状得到明显改善。但是，由于技术手段的局限，古人只能观察到整体食物的作用，而对食物的化学本质并不认识，这种情况一直持续到18世纪。

从18世纪末叶到20世纪的一百余年间，是现代营养学研究取得决定性发展的关键时期。在此期间，建立了多种物理和化学实验方法，并开始了对某些物质成分进行分离提取；此外，人们也开始用动物做试验来确定不同物质对机体健康的影响。例如，著名化学家、生物学家拉瓦锡（Lavoisier，A.L.）及其同事注意到动物血液在氧气中呈现红色而在二氧化碳中变黑的现象，接着对呼吸的本质进行了20余年的研究。他们通过豚鼠和人体试验发现，组织中含碳化合物的氧化是生物体各种生理功能的能量来源，这是食物的特定功能首次在化学界得到证实。他们在研究中使化学实验从定性转为定量，开辟了认识食物化学本质的新途径。

在这种发展背景下，科学界对于食物的研究不再停留在整体食物对于人类疾病的防治作用方面，开始探究是哪种食物成分具有这些作用。于是，营养素必需性的研究随之拉开了序幕。

我们现在认识到蛋白质、脂肪和碳水化合物的营养作用非常复杂，涉及生长发育、组织器官的构成和更新、渗透压、免疫功能、脑功能、心血管健康等诸多方面。但是，人们早期意识到这几种营养素必需性只是因为饥饿引起的蛋白质-能量缺乏。

由于儿童对蛋白质与能量的需要量相对高于成人，所以蛋白质-能量营养不良（PEM）多见于儿童。当膳食中蛋白质严重缺乏而能量的供给尚可勉强维持最低水平时，患者表现为水肿型营养不良（kwashiorkor）；如果由食物摄入的能量和蛋白质均长期严重缺乏，则患儿的出现消瘦、衰弱乃至“皮包骨”等症状，被称为干瘦型营养不良（marasmus），与成人长期饥饿后发生的情况类似。在贫困人民的实际生活中，这两种营养不良经常以轻度的混合形式出现，而且常常伴随着其他多种微量营养素的缺乏。

人类对食物蛋白质的发现和认定，是从植物性食物开始的。Beccari通过水洗的方法从面粉中得到谷蛋白。他认为人体的构成得益于面包中的这种物质，所以称之为“动物样”物质。后来的科学家又从大豆、动物组织中得到了这种“动物样”物质，并检测了这种物质的碳、氢、氧、氮等元素成分，发现其中的氮含量很高。1816年Magendie，F.用纯的碳水化合物或脂肪饲喂狗，结果导致实验狗死亡，而后加入蛋白质则使其存活，从而证实了蛋白质的营养必需性。

随着营养素研究的进展，伦敦的一位内科医生Prout，W在1827年提出，高等动物的营养需求包括三种主要食物成分，即蛋白质、碳水化合物、脂肪。这种认识得到社会的广泛认可，但是必需营养素的研究仍未终结，而是随着营养问题的不断出现继续向着纵深发展。

在确定了产能营养素必需性以后的二十余年中，人们又陆续发现几种矿物质也是动物必需的营养成分。1842年，法国人Chossat用鸽子进行实验，观察到低钙饲料喂养的鸽子骨骼发育不良，而矿物质碳酸钙可以预防这种异常状况，证明了钙的营养作用。到1850年，至少有钙、磷、钠、钾、氯和铁等6种元素在动物实验中被证明了它们的营养必需性。

鉴于上述一系列的研究成果，Liebig，J.von提出，由产能物质（碳水化合物和脂肪），加上蛋白质以及一些矿物质，即可构成营养完全的膳食。然而在1870年普法战争的特殊情况下，人们发现了新的营养问题。当时，法国巴黎被普鲁士军队围困，人们用上述这些已知的各种营养素配制奶品喂养儿童，结果未能阻止他们的健康恶化。人们由此推测，食物中一定还含有某种别的生命必需物质，并开始寻找另外一类必需营养素——维生素。

大多数维生素及其必需性的发现都经历了类似的三个阶段，即首先发现人群中流行的营养缺乏病；然后找到防治缺乏病的特定食物；最后确定相应的食物成分，即人体必需的维生素。1910年，英国生物化学家Hopkins的论文“在正常膳食中附加因子重要性的饲养实验”指出：即使含有碳水化合物、脂肪、蛋白质和矿物质的人工合成饲料也不能使动物正常生长，只要加入少量鲜牛奶就能使动物生长良好。论文中提出了“附加因子”的概念，肯定了今天称之为维生素的存在。Hopkins和Willcode因发现维生素是机体不可缺少的物质，成为1929年诺贝尔生理学和医学奖的获奖者，他们的实验方法也为以后的营养必需性研究树立了典范。

维生素B ₁是人们发现最早的一种维生素。在维生素尚未被人们认识的年代，脚气病流传甚广。例如1880年，日本海军发现在长期航海过程中大约有30%的海员患上脚气病。1890年荷兰军医Eijkman注意到食用糙米有利于预防这种疾病，1911年英国的Funk C从米糠中提取到这种治疗脚气病的物质，并提出“维生胺”（vitamine）的概念，至此，人们防治脚气病的探索终于开始走向正确的方向。

维生素C的发现与人类坏血病的防治不可分割。16世纪英国海军派出1900余名海员作环球航行，4年后返航时竟有数百人死于坏血病。虽然人们早已发现柠檬等多种水果和蔬菜对于坏血病有预防和治疗作用，但直到1932年科学家从柠檬汁中分离出一种晶状物质，并证明其具有防治坏血病的效果，人类防治坏血病的研究才算进入了认识一种维生素必需性的新阶段。到1915年，6个矿物质、4种氨基酸和3种维生素，即维生素A、维生素B ₁和抗坏血症因子被证实为必需营养素。

人们对必需营养素的认识，经历了相当长的研究历程。在陆续发现营养素的一系列研究成果公布之后，食物中存在多种与人类存活、生长、健康相关物质的认识被广泛接受，到1918年，为促进公众健康，英国、美国开始强调食物品种多样化的重要性。营养学家们随后又发现并证实了多种营养素对于维护人类健康的意义。

在20世纪30年代，科学家们对维生素D、β-胡萝卜素、维生素B ₂（核黄素）、泛酸、生物素、维生素E、维生素K、维生素B ₆、叶酸、维生素B ₁₂、钾以及几种氨基酸进行了研究。在对食物和饲料中新的营养成分进行研究的过程中，如何确定它们是否属于人体或动物机体必需的营养素，成为一个务必解决的关键问题。出于研究的科学性和规范性要求，有必要明确必需营养素的概念，并制定一个标准，以便理性判别研究结果的真实性。

按照营养素的必需性进行分类，是从氨基酸开始的。早在1920年，Mendel将体内不能合成的氨基酸称之为必需氨基酸；而体内可以合成，食物中缺少也无关紧要的氨基酸称为非必需氨基酸。在氨基酸分类中使用的这种必需和非必需的概念，在更多营养成分的研究领域逐渐得到认可。

随着研究资料的积累，人们对于一种食物成分是否属于必需营养素有了公认的标准：①该食物成分为机体存活、生长和健康所必需；②该成分在食物中缺乏或比例不当可造成生物体的特异性缺乏病，严重者可致死亡；③缺乏引起的生长不良或缺乏病只有该成分或其前体物质可以预防；④低于该种食物成分的标准摄入量时，机体的生长状况和缺乏症与摄入量密切相关；⑤该种食物成分在体内不能合成，但是其重要的生理功能在一生中都需要。

就像门捷列夫建立元素周期表以后，各国科学家又相继发现了许多新的元素一样，上述必需营养素标准的提出促进了更多的维生素、微量元素的发现。

经过营养学家们一百余年的工作，如今已确认的人体必需营养素有42种。这些营养素根据人体的需要量或体内含量多少又可分为宏量营养素（包括蛋白质、脂类和碳水化合物）和微量营养素（包括矿物质和维生素），其中矿物质又分为常量元素和微量元素。

食物中含有的有机和无机化学成分数以千计，但是其中绝大多数对人体没有可以检测到的生理学作用；有些成分虽然对健康有益，例如多种脂肪酸和氨基酸，但是人体自身能够合成，或由其他营养素转化，没有必要从食物中摄取，被称之为非必需营养素（non-essencial nutrients）；只有符合上述5个条件的42种营养素才被称为必需营养素。

必需营养素包括蛋白质中的9种氨基酸，脂类中的2种多不饱和脂肪酸，1种碳水化合物，7种常量元素，8种微量元素，14种维生素，加上水，共42种。人体对这42种营养素中的任何一种都不能缺乏（表1-2-1），［表中*表示：按照1992年WHO/FAO/IHEA组织专家委员会提出的分类标准，人体从食物中摄入的微量元素除了本表列出的8种确定必需的微量元素以外，还有人体可能必需的元素（5种），以及具有潜在毒性，但在摄入量很低时可能对人体具有必需功能的元素（8种）］，否则将会影响相关的生理功能或出现营养缺乏病。

应当说明，在营养学教科书和有关的科学辞典中并没有在营养素和必需营养素之间划定一条明确的界限，而是经常用“营养素”这个术语代替“必需营养素”。例如，在葛可佑等学者主编的《营养科学辞典》中，对营养素不足的解释是“膳食或食物中有一种或数种营养素含量较低或缺少。如长期摄入该种膳食或食物，有引起相关营养素缺乏病的可能”。在这段文字中，营养素的概念与前述的必需营养素基本相同。另外，在国际营养学界应用了半个世纪之久，迄今已经修订发行第9版的 Bender’ Dictionary of Nutrition and Food Technology中，将营养素的定义描述为“必需的膳食因子，例如维生素、矿物质、氨基酸和脂肪酸”，也强调了“必需”，与前述的必需营养素概念基本一致。此外，在许多国家制定的“膳食营养素参考摄入量”里，虽然题目上没有强调“必需”二字，但是各国营养学家都约定俗成的只将必需营养素纳入其中。

如上所述，在营养素与必需营养素两个术语之间没有一个明确的分界线，这种表面上有违逻辑规律的描述，反映了食物成分与机体健康之间的复杂关系。因为，人体由食物中摄取的化学成分数以千计，这些成分对人体功能和健康的影响错综复杂，很难在食物成分的必需和非必需之间找到一条严格的界限。实际上，在必需与非必需之间有一个很宽的边缘区域，这个区域的存在，为营养素必需性的研究提供了广阔的发展空间。

必需营养素概念的提出及其标准的制定，在对公众进行饮食指导、防治营养缺乏病以及制定食物营养政策等方面都起到了积极的推动作用。但是，随着营养科学的深入发展，人们发现某些营养素在正常情况下并非人体必需，但在某些特殊条件下，人体对这些营养素的合成能力受到损害，它们就转化成为必需营养素如早产儿所需要的酪氨酸、高分解代谢患者需要的谷氨酰胺以及由遗传缺陷引起肌病的患者所需要的肉碱等，由人体自身代谢难以获得足量供应，而必需通过食物获得。

Rudman及其同事根据一系列研究的结果，提出了条件必需营养素的概念，特指那些正常状态下不一定需要，但对那些体内不能足量合成的人群是必需供给的营养素。一般认为，可以根据下述三条标准判断某种营养素是否属于条件必需营养素：①该营养素的血浆水平低于正常值；②出现与该营养素相关的功能异常；③补充该营养素可纠正上述异常表现。

条件必需营养素这一概念最初只是用于全胃肠外营养（total parenteral nutrition，TPN）的患者，现在这一概念还包括生长发育不全、某些病理状态以及遗传缺陷等条件下人体所需的营养素。

Snyderman发现，许多氨基酸代谢酶在胎儿发育后期才能形成，所以早产儿需要半胱氨酸和酪氨酸保证氮贮留及维持血浆水平，因此，这两种氨基酸就成为早产儿的必需氨基酸。

牛磺酸对于机体的营养作用在动物实验中得到证实，用缺乏牛磺酸的饲料喂养实验猴，结果引起猴的视锥体损伤和体重下降，补充牛磺酸后可以预防此类异常的发生。接受全胃肠外营养的早产儿如果缺少牛磺酸，不仅导致血浆牛磺酸水平下降，而且其视网膜电流图的B波减弱。Gall认为，对用TPN的儿童，牛磺酸是一种条件必需营养素。

虽然新生儿血浆和组织中的肉碱浓度比成年人低，但仍然是维护正常生理功能不可缺少的营养素。如果新生儿的TPN中不补充肉碱，则会影响其正常代谢和氮潴留，合理补充肉碱则能纠正这一缺陷，所以肉碱对于接受TPN的新生儿是条件必需营养素。

对于肝硬化的患者来说，维持氮平衡和血浆氨基酸水平有助于减缓病情进展，补充半胱氨酸和酪氨酸是维持平衡的有效措施。此类患者的血浆牛磺酸的水平也随血浆半胱氨酸水平下降，这些营养素的合成不足归因于病变肝脏合成旁路的损伤。由于患者机体的病理状态和特殊代谢过程，上述几种氨基酸营养素就成为肝脏疾病条件下的必需营养素。

外伤或感染患者、危重患者的肌肉和血浆谷氨酰胺浓度下降，而且其下降程度与病情、伤情成正比。动物试验表明，谷氨酰胺浓度的降低还与组织蛋白质合成降低、蛋白质降解增加引起的负氮平衡相关。在临床试验中给外科手术患者补充谷氨酰胺可明显促进患者康复。这些研究说明，患者处于高分解代谢条件下，谷氨酰胺的利用超过其合成，需要额外补充。因此，谷氨酰胺是一种条件必需营养素。

遗传缺陷也可使某些膳食成分变成条件必需营养素。如遗传缺陷引起的肉碱合成不足而引起的肌病，补充肉碱后可以得到一定程度纠正。苯丙酮尿症（phenylketonuria，PKU）是一种常染色体隐性遗传性疾病。遗传缺陷可使患者体内的四氢生物蝶呤（芳香族氨基酸羟化酶）合成减少，一方面苯丙氨酸不能合成酪氨酸，引起体内苯丙氨酸浓度增高，出现高苯丙氨酸血症以及苯丙酮酸尿症。另一方面，某些需要芳香族氨基酸作为合成前体的神经递质合成受损，导致神经与精神症状。在这种情况下四氢生物蝶呤就成为条件必需营养素。

人类日常摄入的食物种类数以千计，目前人们认识的这些食物中含有的各种化学成分也超过数百种，上述几十种必需营养素与条件必需营养素只是食物成分中的很小一部分。以前营养学界将必需营养素之外的其他食物成分归类为“非营养成分”（non-nutrient components）。但是，随着生活方式的变迁以及营养缺乏病得到预防，特别是由于食物成分与慢性病预防的研究资料日益增多，这种“非营养”的看法正在发生改变。

古代的人类由于技术方法的限制，对食物的认识只能停留在表面了解，不可能深入研究食物中的各种成分。18世纪末叶开始的营养学研究，使人们得以认知具有重要生理功能、为人体必需的各种营养素，从而能够对长期危害人类健康的营养缺乏病进行预防和治疗。近几十年来，由于采取了多种营养改善措施，营养缺乏病在发达国家中已基本消除，在大多数发展中国家原来流行的主要营养缺乏病也得到有效防治。随着营养与卫生状况的改善以及传染病的控制，世界上大多数人的健康水平得到明显提高，预期寿命延长。

另一方面，由于西方发达国家、中国和许多发展中国家经济建设的快速发展，人们的饮食和身体活动等生活方式也发生了巨大变化。每天摄入的食物从饥饿到温饱，再到过剩，结果导致超重和肥胖越来越多，高血压、冠心病、卒中、糖尿病、癌症等多种慢性病呈现高发流行态势。预防营养不良的主要目标已经从营养素的摄入不足转向摄入能量过多。

在与营养不良作斗争的历程中，非传染性慢性病（noncommunicable chronic diseases，NCD）的易感性与膳食营养的关系成为营养学界关注的一类重要问题。各种食物摄入量与心血管疾病、糖尿病以及癌症等NCD发病率关系的研究显示，富含膳食纤维、类胡萝卜素、多酚类等植物性食物中的多种“非营养成分”，对于一些慢性病的发生发展有着重要的影响。国内外营养学界将这些食物成分称之为植物化学物（phytochemicals）。对食物中这些化学物质的生物学功能的探讨，在近年营养学研究领域占据了很大的比例。如何界定它们在人类营养中的位置，成为营养学界必须思考的问题。

近年报道的大量研究资料使营养学原有的认识面临一个重大的挑战，即某些具有生理活性的食物成分是否为人体所“必需”？一方面，沿用已久的必需营养素和条件必需营养素的含义很清楚，如果纳入这些新的食物成分，则原有标准的确定性就会大大降低。另一方面，一些食物成分对于保持人体正常功能、预防NCD的作用得到越来越多的证据支持，似乎不能否认它们在维护人体健康方面可能具有的“必需性”。

其实，国际组织的一些专家早在研究微量元素分类时就使用了“可能必需”的称谓。从20世纪70年代开始，营养学界公认的看法是人和动物必需的微量元素共有14种。经过十余年的研究发展，1990年WHO/FAO/IAEA组织专家委员会综合考虑微量元素的营养必需性，提出了新的分类标准。该标准将有关的元素分为3类：第一类为人体必需的微量元素，即表1-2-1列出的8种；第二类为人体可能必需的微量元素，有锰、硅、镍、硼、钒等5种；第三类具有潜在毒性，但在低剂量时对人体可能具有必需功能的微量元素，包括氟、铅、镉、汞、砷、铝、锂、锡等8种。

以元素氟为例，按照原来的分类氟属于人和动物必需的一种微量元素。但是学术界对此种分类的质疑声一直很多。反对的学者认为氟与营养素必需性的标准不符合，不一定为牙齿和骨骼生长所必需，因而很难将它归于必需营养素之列。但另一方面的资料显示，氟可以被人体牙釉质中的羟磷灰石吸附，在牙齿表面形成一层坚硬的保护层。使牙釉质增强抗酸作用，并能抑制细菌以及某些酶对牙齿的损害，从而减轻发生龋齿的危险性。而骨盐中含氟较多时，有利于钙和磷的利用及其在骨骼中沉积，可使骨质坚硬。从饮食中摄入少量的氟有助于维护牙齿和骨骼健康，所以不可否认氟对于人体有明显的有益作用。权衡氟元素介于必需与不必需之间的利弊，三个国际组织的专家将其列入“低剂量时对人体可能具有必需功能”的范围。

三大国际组织对微量元素的重新分类，不仅使营养有关的微量元素数量从14种增加到21种，而且根据不同元素与人体健康的关系对其作出了更为明确的界定。这种分类方法也为营养学界认识营养素的必需性提供了一个新的视角。

除了上述微量元素中包含了一些人体可能必需的元素以外，食物中含有的多种其他食物成分也可能存在类似的情况，在营养学研究领域备受关注的植物化学物就是如此。越来越多的研究证据表明，植物性食物中的多种成分在维护人类生理功能以及预防某些疾病方面具有不可或缺的作用。

植物的颜色、味道都是它们含有的化学成分的表现形式。人们对多种植物化学物的认识从植物成分的含量分析开始，再到它们的分子结构、理化性质，进而了解不同成分对人和动物生理功能的影响，及其对某些疾病的预防，经历了一个逐渐明晰的过程。

例如膳食纤维，是几乎在所有植物性食物中都含有的一种化学成分，特别是在水果、蔬菜以及全谷物等食物中含量更为丰富。自从Hipsley1953年首先提出“膳食纤维”这个词汇以后，对于这种食物成分的概念、分类、测定方法、食物含量以及生物学作用进行了大量研究。人们从最初的研究就认识到膳食纤维在人类的胃肠道中不能被消化吸收，摄入人体之后只能随着粪便排出体外，因此被划分为非营养成分。但是，1975年的《柳叶刀》杂志首次发表了Jenkins等学者的论文，肯定了果胶、胶体和麦类纤维等成分对血清胆固醇的调节作用，引起科学界的广泛关注。后来的研究者又发现某些形式的膳食纤维，可在肠道内转化成为可以氧化供能的物质，因而在更大程度上接近了营养素的定义。更重要的是有关膳食纤维与NCD之间的关系研究，提供的证据表明这种食物成分有助于维护胃肠道功能，预防便秘、减轻肠憩室症状，并减少糖尿病、血脂异常乃至结肠癌的发病危险。

国内外营养学界对植物性食物中的其他成分也进行了与膳食纤维类似的大量研究。由于越来越多的科学证据支持植物化学物可能减少人类NCD的发生和发展，所以对这类有益于健康，但又不符合必需营养素标准的植物成分，学者们采用了多种术语以反映它们的生物学功能，例如“生理调节物（physiological modulators）”“生物活性成分（bioactive components）”“有益健康成分（components beneficial for health）”，有些文献则直接称之为“植物营养素（phytonutrients）”。无论如何，人们对于这类植物成分的生理调节功能和预防疾病作用已得到越来越多的认知。

中国营养学会在组织修订《中国居民膳食营养素参考摄入量》的过程中，认识到国内外营养学界近来数十年间对植物化学物的重视以及取得的科学成果，对有关论文进行了系统检索，并按照循证营养学的原则，对这些成果进行了分析比较。在此基础上，专家委员会提出了专用于植物化学物摄入量的特定建议值（specific proposed levels，SPL）的概念，并为成人提出了膳食纤维的适宜摄入量，以及植物甾醇、番茄红素、叶黄素、花色苷、大豆异黄酮等植物化学物的特定建议值。将植物化学物的建议摄入量（SPL）纳入《中国居民膳食营养素参考摄入量》中，是将原来认为属于“非营养素”的植物成分列入可能必需营养素的重要一步。此举不仅在营养学的发展中具有重要科学意义，而且这些数值可以用于指导NCD危险性较高的某些成人在日常膳食中摄入合理水平的植物化学物，同时，也为研发和评价膳食补充剂等工作提供科学依据。当然，植物化学物与健康关系的研究正处于不断发展阶段，在发现更多科学证据的基础上，对其他种类的植物化学物也可能提出新的SPL。此外，随着科学证据的积累，对已有的建议摄入量也可能随之修订。

综上所述，人类对营养素的研究经历了一个漫长的历程。根据目前得到的营养素必需性的研究结果，我们对食物中的营养素可以得到这样一个多层次的基本认识：

营养素：A必需营养素（42种）；B条件必需营养素（某些氨基酸等）；C其他可能必需的食物成分（某些微量元素和植物化学物等）；D非必需营养素（多种对人体有益的食物成分）。

由此可以看到，必需营养素并不是一个确定不变的概念，而是随着研究的深入，其范围由小到大，其含义由模糊到清晰。这种认知过程的进步反映了人体与食物之间的复杂关系，也表现出营养科学发展的渐进性。