叶黄素又名”植物黄体素”，属于类胡萝卜素。叶黄素只能由植物合成，在万寿菊、菠菜、胡萝卜等深绿色叶类蔬菜中含量丰富。由于无法自身合成叶黄素，动物体内的叶黄素都是直接或间接从水果、蔬菜中获得。根据叶黄素的状态可分为磷脂化叶黄素和游离叶黄素，游离的叶黄素更容易被吸收， 并存在于人体血液及多种器官中，人们膳食摄取的叶黄素（叶黄素和玉米黄质）中有93%是游离的叶黄素，其余7%的为酯化叶黄素。
叶黄素是构成人眼视网膜黄斑区域的主要色素，对于维持眼部健康、保护视力具有积极作用。近些年来，大量研究表明叶黄素还存在抗氧化、清除自由基、视网膜保护以及脑功能保护等作用。叶黄素因为天然无害的特性也被广泛应用于各种领域，对于叶黄素及其相关产品的开发应用已经引起人们的极大兴趣。
叶黄素作为一种抗氧化剂，其分子结构中存在多个共轭双键，通过还原作用清除氧自由基，叶黄素可以猝灭单线氧，保护脂类免受单线态氧的攻击，减少脂质过氧化物( LOP)的产生，进而抑制 ROS 活性，阻止 ROS 对正常细胞的破坏；此外，叶黄素良好的抗氧化作用也通过降低炎症因子的表达和增加超氧化物歧化酶来完成。
实验研究发现叶黄素可通过抑制 Fe2 + 和 H2O2 水平，从而减少 ROS 对肝脏细胞 DNA 造成的氧化损伤 。通过建立雄性大鼠衰老模型发现，叶黄素可以显著降低血清和肝脏匀浆内丙二醛( MDA) 含量， 而血液 SOD、GSH-Px 活性比模型组也有明显提高，表明叶黄素可以增强大鼠机体抗氧化能力，进而延缓大鼠衰老。使用内毒素诱导的眼睛葡萄膜炎老鼠模型研究发现，叶黄素可以缓解老鼠眼睛的氧化活性物质浓度，减低炎症因子的表达，保护Muller 神经胶质细胞的病理改变，表明叶黄素在葡萄膜炎症时可以通过抗氧化作用保护视神经细胞。对于缺血再灌注损伤的老鼠模型，叶黄素处理后，也可以显著降低骨骼组织的氧化压力，蛋白质羰基化和巯基，脂质过氧化等。叶黄素对保护脑组织也有重要作用， 研究发现，严重创伤性脑损伤老鼠在经过叶黄素预处理后，炎症因子IL- 1β、IL-6、 血清中ROS 浓度等的表达显著降低，说明叶黄素可以有效的通过降低炎症反应和氧化反应保护严重创伤性脑损伤。
现有研究表明，自然界和显示屏上的蓝光是引起人眼视网膜黄斑区损伤的主要原因。由于蓝光具有较高能量，可诱导 ROS 的大量生成，直接损伤视网膜神经细胞。叶黄素是构成人眼视网膜黄斑色素的主要成分，主要起到滤除蓝光的作用，同时还能够淬灭单线氧，控制 ROS 的生成，减少由光照引起的氧化作用。研究表明，摄入富含叶黄素的食品， 可以增加组织中叶黄素含量，对老年性黄斑退化( AMD) 的预防保护起到重要作用。
尽管叶黄素只占饮食中总类胡萝卜素的12%，但是却占脑部总类胡萝卜素的59%，是婴儿大脑中含量最丰富的类胡萝卜素。研究表明，含有较高的叶黄素和胆碱的母乳喂养的婴幼儿神经认知能力更好，除了帮助婴幼儿神经系统发育外，叶黄素对人类干细胞也具有直接的促分化作用。叶黄素的促神经发育作用与其对二十二碳六烯酸(DHA)的抗氧化作用相关， 通过保护DHA的还原性，从而维持DHA 的生物活性，增强神经元细胞之间间隙信息传递来增强脑神经功能，叶黄素也影响婴儿大脑中的脂肪酸和神经递质，促进细胞膜成熟和皮质折叠。此外，叶黄素的抗炎和抗氧化作用也能防止与 ROS相关的神经发育不良的发生，从而保护新生儿。在老年人体内，血清叶黄素水平较高的年长者，其海马旁区的灰质较厚， 在结晶智力测试中表现更好。额外补充叶黄素不仅可以提高老年人的智力表现，同时也可以预防相关疾病的发生， 给体内叶黄素浓度较低、 有轻度认知障碍的老年妇女补充叶黄素，可显著提高其言语流畅性。
婴幼儿脑部神经系统发育成熟的过程中，需要大量的神经干细胞分化成熟为神经元细胞。伴随这一分化过程的是细胞基因和蛋白质表达的重大改变，神经系统对对神经传递因子和能量代谢的巨大需求，同时产生ROS氧化压力。而叶黄素在这一过程中，发挥着重要作用。
对细胞代谢的调节是叶黄素发挥其生物效应的途径。研究发现，叶黄素处理后，能够显著的升高线粒体代谢，改变细胞的表观遗传学状态，促进未分化神经细胞向成熟神经细胞分化。多效形态剂在多种细胞类型的分化过程中，包括脂肪细胞、 肌肉胞、RA 诱导的 SY5Y细胞的神经元细胞均可增加糖酵解和氧化磷酸化的速率。多不饱和脂肪酸DHA 和膳食类胡萝卜素在SY5Y 神经细胞的分化过程中也同样被发现会诱导代谢重组，增加葡萄糖消耗、 糖酵解速率和增强线粒体复合体I/III 的呼吸。PI3K 依赖的代谢调节与快速增殖的前体细胞向有丝分裂后分化的神经细胞转变相关，可能是维生素A类物质调节神经发育的关键通路，而PI3K/AKT抑制剂可以抑制RA和叶黄素诱导的神经细胞分化。RA 诱导导致细胞周期蛋白依赖性酶抑制剂p21 和p27(Kip)蛋白水平升高，这两种抑制剂可通过阻断 G1/S期细胞周期进展来抑制细胞增殖。同样，叶黄素也能抑制SY5Y增殖，从而增强神经元分化。碳代谢途径与线粒体呼吸链活性偶联，影响线粒体NADH和细胞溶质NADPH之间的电化学势差异，后者调节丝氨酸分解代谢/合成循环。因此，线粒体功能的变化可以调节碳代谢进而改变基因的表达。微量营养素，如叶黄素，叶酸、维生素B12 和 PUFAs 等微量元素都是碳代谢的主要影响因子，从而控制关键信号分子的水平，如 ATP、乙酰辅酶a 、NAD+/NADHSAM和其他 TCA中间体，它们为许多甲基转移酶反应提供甲基基团。动物研究发现，怀孕期间母体的营养状况对婴儿的表观遗传调控的基因表达有着重大影响。细胞主要甲基供体 （影响DNA 甲基化）s- 腺苷蛋氨酸（SAM） 的生成依赖于线粒体叶酸循环和ATP合成。而SAH 是DNA 去甲基化酶的有效抑制剂，可以水解成同型半胱氨酸， 用于蛋氨酸再生， 该过程也依赖于碳代谢。其他线粒体代谢物，如琥珀酸， 富马酸和 2-羟基戊二酸和 α-酮戊二酸 （ αKG） 则可以通过TETs 调节DNA甲基化， 通过将5-甲基胞嘧啶 （5mC） 氧化成5-羟甲基胞嘧啶 （5hmC） 来促进TET 介导的去甲基化。基因组的组蛋白修饰也受 A类维生素物质的影响， 在缺乏维生素 A 的大鼠中，RARα 和 CREB结合蛋白介导的组蛋白乙酰化程度明显较低， 抑制这些基因的表达， 进而对老鼠的学习能力， 记忆能力造成损伤。